Introducere

Unități de bază

Mai multe definiții ale caloriilor sunt acum utilizate în mod obișnuit, inclusiv (2):

energie electrică

calorii termochimice 1 cal = 4,184 J (exact)
15 ° C 1 cal = 4,1858 .
Calorii internaționale de masă 1 cal = 4,1868 J (exact)
calorie medie 1 cal = 4.1900 .

Caloriile din tabelul internațional (IT) au fost adoptate în publicațiile Administrației pentru informații energetice din S.U.A. Departamentul Energiei (DOE/EIA) (3) și al Agenției Internaționale pentru Energie a Organizației pentru Cooperare și Dezvoltare Economică (OECD/AIE) (4). Având în vedere importanța acestor publicații, este rezonabil să considerăm caloriile IT ca fiind unitatea preferată pentru discuțiile de producție și utilizare a energiei, dar nu există o practică adoptată universal (a se vedea și discuția despre Btu, mai jos).

Uneori, o versiune cu majuscule, Calorie, este utilizată pentru a indica kilocaloria (kcal). Discutând despre alimente, „caloria”, cu majusculă sau nu, este întotdeauna kilocaloria.

Unitate termică britanică (BTU). Acesta este analogul sistemului englezesc al caloriilor. Pentru ca capacitățile de căldură specifice să fie aceleași, indiferent dacă sunt exprimate în Btu/lb- ° F sau în cal/gm- ° C: 1 Btu = 251.9958 cal.

În ceea ce privește caloriile, există o familie de „Btu” în uz relativ comun, incluzând:

termochimic Btu 1 Btu = 1054,35 .
59 ° F (15 ° C) Btu 1 Btu = 1054,80 .
International Table Btu 1 Btu = 1055,06 .
înseamnă Btu 1 Btu = 1055,87 .

Din nou, unitatea IT este cea utilizată în publicațiile DOE/EIA.

Kilowatt-oră (kWh). Kilowatt-ora este o unitate standard de producție și consum de energie electrică. Prin definiție, menționând că 1 kilowat = 1000 wați:

1 kWh = 3,6 x 10 6 J (exact).

Relația dintre kWh și Btu depinde de care este utilizat "Btu". Este comun, deși nu universal, să se utilizeze echivalența:

1 kWh = 3412 Btu.

Aceasta corespunde tabelului internațional Btu. [Mai precis, 1 kWh = 3412,14 Btu (IT).]

Unități pe scară largă. În descrierea bugetelor energetice naționale sau globale, este o practică obișnuită să se utilizeze unități pe scară largă bazate pe joule, Btu și kWh:

Exajoule (EJ): 1 EJ = 10 18 J Quadrillion Btu (quad): 1 quad = 10 15 Btu = 1,055 EJ Terawatt-an (TWyr): 1 TWyr = 8,76 x 10 12 kWh = 31,54 EJ = 29,89 quad

Factori și unități de conversie bazate pe sursă

Având în vedere variațiile mari ale conținutului de căldură real al combustibililor, în special al petrolului și cărbunelui, este obișnuit să se introducă un echivalent energetic nominal care să reflecte un conținut energetic tipic al combustibilului dat, dar care să fie decuplat de variațiile care apar în combustibilii reali. Echivalentul energetic poate fi considerat a fi o unitate de energie alternativă, legată precis de unități precum joul, calorii sau Btu. Echivalentele energetice pentru petrol și cărbune sunt discutate în paragrafele următoare de mai jos și sunt enumerate în Tabelul 1.

Factori de conversie pentru petrol. Conținutul de căldură al țițeiului din diferite țări variază de la aproximativ 5,6 milioane Btu (MBtu) pe baril la aproximativ 6,3 MBtu (5). Conținutul de căldură al produselor petroliere tipice variază și mai mult (a se vedea tabelul 1). Un factor de conversie nominal este uneori utilizat pentru un baril de țiței, care este aproape de conținutul său mediu de energie real:

1 baril echivalent petrol = 5,80 MBtu.

Cu această definiție, se poate stabili o corespondență între milioane de barili de petrol pe zi (Mbd) și quad-uri pe an:

1 Mbd = 0,0058 x 365 = 2,12 quad/an.

care este uneori rotunjit la: 1 Mbd = 2 quad/an.

O echivalență energetică pentru petrol poate fi, de asemenea, specificată în termeni de energie pe tonă (tonă). [Pentru petrol, spre deosebire de cărbune, masa este specificată de obicei în tone chiar și în S.U.A. literatură (5).] Numărul de barili de țiței pe tonă variază foarte mult, în funcție de sursă. Pentru 1993, EIM a raportat valori care variază de la mult sub 7 barili/tonă pentru unele țări de origine la peste 8 barili/tonă pentru altele (5). Pentru Statele Unite, media a fost de 7,33 barili/tonă. Această medie, împreună cu echivalența nominală de 5,8 MBtu/bbl, corespunde unui conținut de căldură pentru țiței de 42,5 MBtu/tonă.

Există definiții diferite în literatura de specialitate a tonă de echivalent petrol (deget de la picior). În publicațiile OECD/IEA este setat egal cu 10,0 kcal (IT) (4), în timp ce în alte publicații este setat egal cu 10,7 x 10 6 kcal (termochimic) [de exemplu, Ref. 6]. Aceste alegeri corespund, respectiv, cu:

1 picior = 1,00 x 10 10 cal (IT) = 41,868 GJ = 39,68 MBtu (IT)

1 picior = 1,07 x 10 10 cal (termochimic) = 44,769 GJ = 42,46 MBtu (termochimic).

În tabelele OECD/AIE, megatonă de echivalent petrol (Mtoe), egal cu 4.1868 x 10 16 J, este folosit ca unitate generală pentru a descrie conținutul de energie al tuturor combustibililor. O unitate mai mare corespunzătoare, gigatonne de petrol echivalent (Gtoe) poate fi legat de exajoule și quad:

1 Gtoe = 41,868 EJ = 39,68 quad.

Factorii de conversie pentru cărbune. Cantitățile de cărbune sunt descrise atât în ​​tone scurte, cât și în tone metrice. Conținutul de căldură variază foarte mult între țări, în medie sub 10 MBtu/tonă pentru unele regiuni și până la aproximativ 30 MBtu/tonă pentru altele, unde conținutul scăzut de căldură corespunde unei fracțiuni mari de lignit (5). Pentru Statele Unite în 1995, media a fost de 20,9 MBtu/tonă (3).

Într-o specificație destul de larg utilizată a unei valori nominale, conținutul de energie de 1 tone de cărbune echivalent este setat egal cu 7 x 10 9 calorii [de exemplu, Ref. 6]. Apoi, la un nivel de precizie care face ca alegerea particulară a „caloriilor” să fie irelevantă:

1 tonă de cărbune (echiv) = 29,3 GJ = 27,8 MBtu

1 tonă de cărbune (echiv) = 26,6 GJ = 25,2 MBtu.

După cum se vede în Tabelul 1, acest conținut nominal de căldură este considerabil mai mare decât conținutul mediu de căldură al cărbunelui consumat în prezent în Statele Unite; este, cu toate acestea, destul de aproape de conținutul mediu de căldură al cărbunelui utilizat la începutul anilor 1950 (3).

Factorii de conversie pentru gazele naturale. Gazul natural este alcătuit în mare parte, dar nu în întregime, din metan (CH4), iar conținutul său de energie este mai uniform decât cel al cărbunelui. Pentru marea majoritate a surselor, conținutul brut de căldură al gazului natural uscat se situează între 900 Btu/ft 3 și 1100 Btu/ft 3 (5). Pentru SUA în 1995, media 1028 Btu/ft 3 (3).

Nu există o unitate de energie echivalentă utilizată pe scară largă bazată în mod special pe gaz natural, deși conținutul de căldură al gazului natural este adesea aproximat de valoarea rotunjită de 1000 Btu/ft 3. În discuțiile despre producția și consumul de gaze naturale, este de asemenea obișnuit să folosiți unitatea term, Unde

1 term = 100.000 Btu.

Subiecte speciale legate de electricitate

Vânzări de energie electrică. Vânzările de energie electrică diferă de producția netă din cauza pierderilor din transport. În tabelele standard, cum ar fi cele din DOE/EIA, pot exista diferențe suplimentare din cauza importurilor, exporturilor, decalajelor de timp între generare și facturare și includerea în vânzările de utilități a cantităților de energie electrică achiziționate de utilități de la producători non-utilitari pentru revânzare. În 1993, de exemplu, raportul dintre S.U.A. vânzările de utilități până la generarea de utilități nete au fost 0,99 Pierderile din transport și distribuție s-au ridicat la aproximativ 8%, dar acest lucru a fost în mare măsură echilibrat de achizițiile de la producători de energie electrică neutilizate și, în al doilea rând, de importuri (3).

Eficiența combustibililor fosili și a surselor nucleare. La o eficiență de 100%, conversia de la căldură la electricitate este la o rată de 3412 Btu pe kWh. Eficiența reală a generației, limitată de a doua lege a termodinamicii și a practicilor de proiectare, nu este suficientă. Mai precis, pentru S.U.A. centralele electrice din ultimii ani, puterea medie de căldură per kWh de generație netă a fost în apropiere de 10.300 Btu/kWh pentru centralele cu aburi cu combustibili fosili și de 10.700 Btu/kWh pentru centralele nucleare, corespunzând eficienței conversiei termice de 33% și 32%, respectiv (3). [Se așteaptă ca viitoarele centrale, în special cele bazate pe sisteme de turbine cu gaz, să aibă deseori eficiență mai mare, în unele cazuri depășind 50%.]

Energia primară și energia finală. În ceea ce privește consumul de energie pentru generarea de energie electrică, se face uneori o separare între energia electrică consumată la punctul de utilizare (convertită din vânzările de energie electrică la o rată de 3412 Btu/kWh) și energia pierdută din căldură în generarea și transportul de energie electrică. Energia de utilizare finală și pierderile de energie sunt apoi tabelate individual, cu pierderile de aproximativ două ori mai mari decât energia de utilizare finală. Cu toate acestea, această separare creează o asimetrie posibil înșelătoare în comparațiile între modurile de utilizare a energiei, deoarece pierderile din utilizarea finală sunt neglijate pentru combustibilii fosili utilizați direct și aceste pierderi sunt uneori substanțiale.

Din punctul de vedere al resurselor energetice, numărul interesant este energia primară --- energia totală consumată la centrala generatoare, indiferent dacă este utilizată eficient sau irosită. Astfel, este de obicei de dorit să se ia în considerare bugetele energetice în ceea ce privește conținutul energetic al resursei consumate inițial, adică energia primară și nu energia de utilizare finală. Când se face acest lucru, energia corespunzătoare a 1 kWh de electricitate depinde de eficiența de conversie și este de obicei peste 10.000 Btu.

Echivalent energetic pentru surse de combustibili nefosili. Pentru a facilita comparațiile între diferite surse de energie, un factor de conversie este atribuit surselor de combustibili nefosili care leagă electricitatea generată de o energie primară nominală. Pentru energia nucleară, acest lucru se face pe baza conținutului de căldură al aburului produs (3). O abordare similară poate fi utilizată pentru plantele geotermale.

Pentru diferitele surse de energie regenerabile, energia primară nu poate fi ușor stabilită și este adesea irelevantă. În schimb, o „energie primară” este atribuită prin adoptarea unui factor de conversie standard --- echivalent cu adoptarea unei eficiențe nominale, unde eficiența de 100% corespunde cu 3412 Btu pe kWh. În publicațiile DOE/EIA, eficiența nominală pentru sursele regenerabile de energie (hidroelectrică, biomasă, eoliană, fotovoltaică și solară termică) este considerată a fi aceeași cu eficiența centralelor electrice cu abur cu combustibil fosil, și anume 33,2% (3). [Mai precis, factorul de conversie este stabilit la 10.272 Btu/kWh.] În publicațiile OECD/IEA, pe de altă parte, eficiența este considerată a fi 100% pentru sursele hidroelectrice, eoliene și solare directe; pentru sursele geotermale este de 10% (4). Astfel, comparativ cu publicațiile DOE/EIA, publicațiile OECD/AIE subestimează energia primară consumată pentru energia hidroelectrică și supraestimează energia primară consumată pentru energia geotermală. [Ipotezele DOE/EIA și OECD/AIE sunt rezumate în tabelul 1.]

Gigawatt-year (GWyr). Plantele individuale mari au capacități în vecinătatea a 1 GW de ieșire electrică (GWe). Acest lucru face din gigawatt-an (GWyr) o unitate naturală de utilizat în discuțiile despre producția totală de energie electrică. Prin definitie:

1 GWyr = 8,76 x 10 9 kWh.

Trebuie remarcat faptul că o centrală de 1 GWe nu produce în mod normal 1 GWyr de electricitate pe an. Raportul dintre energia electrică reală generată și cantitatea care ar fi generată în cazul în care instalația ar funcționa la capacitate maximă timp de un an este factorul de capacitate. Centrele tipice de cărbune și nucleare funcționează la factori de capacitate între aproximativ 60% și 80%.

Pentru o instalație cu o eficiență de conversie de 33%, o ieșire electrică de 1 GWyr (3,15 x 10 16 J) corespunde unei ieșiri termice de 9,5 x 10 16 J sau 0,090 quad. Astfel, de obicei, relația dintre energia primară utilizată și electricitatea produsă este de aproximativ:

1 quad ---> 11 GWyr.

Tabelul IV.4.1. Unități și factori de conversie (a se vedea textul).

0,136 tone
1 milă pătrată = 640 acri = 2.590 km 2
1 hectar = 10 -2 km 2 = 2.471 acri

Unități de energie
1 calorie (termochimică) = 4.184 (
1 calorie (15 ° C) = 4.1858 J
1 calorie (IT) = 4,1868 J
1 calorie (medie) = 4.1900 J
1 Btu = 251.9958 calorii
1 Btu (termochimic) = 1054,35 J
1 Btu (59 ° F) = 1054,80 S.
1 Btu (IT) = 1055,06 J
1 Btu (medie) = 1055,87 J
1 kilowatt-oră (kWh) = 3,6 x 10 6 J
1 kilowatt-oră (kWh) = 3412 Btu (IT)
1 term = 100.000 Btu
1 electron-volt = 1,6022 x 10 -19 J

Unități pe scară largă
1 quad = 10 9 MBtu = 10 15 Btu
1 exajoule (EJ) = 10 18 J
1 terawatt-an (TWyr) = 8,76 x 10 12 kWh

Quad a E J
1 quad 1.000 1.055 cea mai frecventă
1 EJ 0,948 1.000
1 TWyr (100% eficacitate) 29,89 31,54
1 TWyr (33% eficacitate) 90,6 95,6
10 9 tone echiv 27,76 29.29
10 echivalent petrol 9 barili 5,80 6.12
10 echivalent de ulei de 9 tone b 39,68 41,87
10 echivalent ulei de 9 tone c 42,43 44,77
A. Bazat pe IT Btu.
b. Așa cum este utilizat de OECD/AIE (Ref. 4).
c. Așa cum este utilizat în Ref. 6.

Unități de putere
1 watt (W) = 1 J/sec
1 cai putere = 746 W
10 6 bbl de țiței/zi

Conținutul de căldură al combustibililor

Referințe

* Acest capitol se bazează, în mare măsură, pe Referința 1.

  1. David Bodansky, "Anexă: Unități de energie", în Cartea sursei de energie, Ruth Howes și Anthony Fainberg, editori (New York: Institutul American de Fizică, 1991).
  2. Manual de chimie și fizică, ediția a 77-a, 1996-1997, David R. Lide, redactor-șef (Boca Raton: CRC Press, 1996).