Efficienza di conversione energetica - Energy conversion efficiency

L'energia utile in uscita è sempre inferiore all'energia in ingresso.
Efficienza delle centrali elettriche, totale mondiale, 2008

L'efficienza di conversione energetica ( η ) è il rapporto tra l'output utile di una macchina di conversione dell'energia e l'input, in termini energetici . L'input, così come l'output utile, può essere chimico , elettrico , meccanico , luminoso (radiazioni) o termico .

Panoramica

L'efficienza della conversione energetica dipende dall'utilità dell'output. Tutto o parte del calore prodotto dalla combustione di un combustibile può diventare calore di scarto se, ad esempio, il lavoro è l'output desiderato da un ciclo termodinamico . Il convertitore di energia è un esempio di trasformazione dell'energia. Ad esempio una lampadina rientra nelle categorie convertitore di energia. Anche se la definizione include la nozione di utilità, l' efficienza è considerata un termine tecnico o fisico . I termini orientati all'obiettivo o alla missione includono efficacia ed efficacia .

In genere, l'efficienza di conversione dell'energia è un numero adimensionale compreso tra 0 e 1,0 o tra 0% e 100%. L'efficienza non può superare il 100%, ad esempio per una macchina a moto perpetuo . Tuttavia, altre misure di efficacia che possono superare 1,0 vengono utilizzate per le pompe di calore e altri dispositivi che spostano il calore anziché convertirlo.

Quando si parla di efficienza dei motori termici e delle centrali elettriche, la convenzione dovrebbe essere indicata, cioè HHV ( aka Potere Calorifico Lordo, ecc.) o LCV (aka Potere Calorifico Netto), e se la potenza lorda (ai terminali del generatore) o netta si sta valutando l'uscita (al recinto della centrale). I due sono separati ma entrambi devono essere dichiarati. In caso contrario, si crea una confusione infinita.

I termini correlati e più specifici includono

Efficienza di conversione chimica

La variazione dell'energia di Gibbs di una determinata trasformazione chimica ad una particolare temperatura è la quantità minima teorica di energia richiesta per far avvenire tale cambiamento (se la variazione dell'energia di Gibbs tra reagenti e prodotti è positiva) o l'energia teorica massima che potrebbe essere ottenuta da tale variazione (se la variazione di energia di Gibbs tra reagenti e prodotti è negativa). L'efficienza energetica di un processo che comporta un cambiamento chimico può essere espressa rispetto a questi minimi o massimi teorici. La differenza tra il cambiamento di entalpia e il cambiamento di energia di Gibbs di una trasformazione chimica a una particolare temperatura indica l'apporto di calore richiesto o la rimozione di calore (raffreddamento) necessario per mantenere tale temperatura.

Una cella a combustibile può essere considerata l'inverso dell'elettrolisi. Ad esempio, una cella a combustibile ideale funzionante a una temperatura di 25 C con idrogeno gassoso e ossigeno gassoso come ingressi e acqua liquida come uscita potrebbe produrre una quantità massima teorica di energia elettrica di 237,129 kJ (0,06587 kWh) per grammo mol (18,0154 grammi ) di acqua prodotta e richiederebbe 48,701 kJ (0,01353 kWh) per grammo mol di acqua prodotta di energia termica da rimuovere dalla cella per mantenere tale temperatura mentre un'unità di elettrolisi ideale funziona a una temperatura di 25 C con acqua liquida come input e l'idrogeno gassoso e l'ossigeno gassoso come prodotti richiederebbero un input minimo teorico di energia elettrica di 237,129 kJ (0,06587 kWh) per grammo mol (18,0154 grammi) di acqua consumata e richiederebbero 48,701 kJ (0,01353 kWh) per grammo mol di acqua prodotta di energia termica da aggiungere all'unità per mantenere tale temperatura.

Valori di riscaldamento ed efficienza del combustibile

In Europa il contenuto energetico utilizzabile di un combustibile è tipicamente calcolato utilizzando il potere calorifico inferiore (LHV) di quel combustibile, la cui definizione presuppone che il vapore acqueo prodotto durante la combustione del combustibile (ossidazione) rimanga gassoso e non venga condensato in acqua liquida quindi il calore latente di vaporizzazione di quell'acqua non è utilizzabile. Utilizzando l'LHV, una caldaia a condensazione può raggiungere una "efficienza di riscaldamento" superiore al 100% (questo non viola la prima legge della termodinamica purché si comprenda la convenzione LHV, ma crea confusione). Questo perché l'apparato recupera parte del calore di vaporizzazione , che non rientra nella definizione del potere calorifico inferiore di un combustibile. Negli Stati Uniti e altrove, viene utilizzato il potere calorifico superiore (HHV), che include il calore latente per la condensazione del vapore acqueo, e quindi il massimo termodinamico del 100% di efficienza non può essere superato.

Efficienza della presa a muro, efficienza luminosa ed efficacia

L'irradiamento assoluto di quattro gas diversi quando utilizzato in un tubo flash. Lo xeno è di gran lunga il più efficiente dei gas, sebbene il krypton sia più efficace a una specifica lunghezza d'onda della luce.
La sensibilità dell'occhio umano a varie lunghezze d'onda. Supponendo che ogni lunghezza d'onda sia uguale a 1 watt di energia radiante , solo la lunghezza d'onda centrale viene percepita come 685 candele (1 watt di energia luminosa), pari a 685 lumen. Le linee colorate verticali rappresentano la linea del sodio 589 (gialla) e i comuni puntatori laser a 532 nm (verde), 671 nm (rosso), 473 nm (blu) e 405 nm (viola).
Un diagramma di Sankey che mostra le fasi multiple di perdita di energia tra la presa a muro e l'emissione luminosa di una lampada fluorescente. Le maggiori perdite si verificano a causa dello spostamento di Stokes.

Nei sistemi ottici come l'illuminazione e i laser , l'efficienza di conversione dell'energia viene spesso definita efficienza wall-plug . L'efficienza della presa a muro è la misura dell'energia radiativa in uscita, in watt ( joule al secondo), per l'energia elettrica totale in ingresso in watt. L'energia in uscita è solitamente misurata in termini di irraggiamento assoluto e l'efficienza del wall-plug è data come percentuale dell'energia totale in ingresso, con la percentuale inversa che rappresenta le perdite.

L'efficienza del wall-plug differisce dall'efficienza luminosa in quanto l' efficienza del wall-plug descrive la conversione diretta di energia in uscita/ingresso (la quantità di lavoro che può essere eseguita) mentre l'efficienza luminosa tiene conto della diversa sensibilità dell'occhio umano alle diverse lunghezze d'onda ( quanto bene può illuminare uno spazio). Invece di usare i watt, la potenza di una sorgente luminosa per produrre lunghezze d'onda proporzionali alla percezione umana viene misurata in lumen . L'occhio umano è più sensibile alle lunghezze d'onda di 555 nanometri (giallo-verdastro) ma la sensibilità diminuisce drasticamente su entrambi i lati di questa lunghezza d'onda, seguendo una curva di potenza gaussiana e scendendo a zero sensibilità alle estremità rossa e viola dello spettro. A causa di ciò, l'occhio di solito non vede tutte le lunghezze d'onda emesse da una particolare sorgente di luce, né vede allo stesso modo tutte le lunghezze d'onda all'interno dello spettro visivo. Giallo e verde, ad esempio, costituiscono più del 50% di ciò che l'occhio percepisce come bianco, anche se in termini di energia radiante la luce bianca è composta da parti uguali di tutti i colori (es: un laser verde da 5 mw appare più luminoso di un laser rosso da 5 mw, ma il laser rosso risalta meglio su uno sfondo bianco). Pertanto, l' intensità radiante di una sorgente luminosa può essere molto maggiore della sua intensità luminosa , il che significa che la sorgente emette più energia di quella che l'occhio può utilizzare. Allo stesso modo, l'efficienza della presa a muro della lampada è solitamente maggiore della sua efficienza luminosa. L'efficacia di una sorgente luminosa per convertire l'energia elettrica in lunghezze d'onda della luce visibile, in proporzione alla sensibilità dell'occhio umano, è indicata come efficienza luminosa , che viene misurata in unità di lumen per watt (lm/w) di ingresso elettrico -energia.

A differenza di efficacia (efficacia), che è un'unità di misura , l'efficienza è un adimensionale numero espresso in percentuale , che richiede solo che le unità di ingresso e uscita essere dello stesso tipo. L'efficienza luminosa di una sorgente luminosa è quindi la percentuale di efficienza luminosa per efficacia massima teorica ad una specifica lunghezza d'onda. La quantità di energia trasportata da un fotone di luce è determinata dalla sua lunghezza d'onda. In lumen, questa energia è compensata dalla sensibilità dell'occhio alle lunghezze d'onda selezionate. Ad esempio, un puntatore laser verde può avere maggiore di 30 volte la luminosità apparente di un puntatore rosso della stessa potenza. A 555 nm di lunghezza d'onda, 1 watt di energia radiante equivale a 685 lumen, quindi una sorgente luminosa monocromatica a questa lunghezza d'onda, con un'efficienza luminosa di 685 lm/w, ha un'efficienza luminosa del 100%. L'efficacia teorica-massima si abbassa per lunghezze d'onda su entrambi i lati di 555 nm. Ad esempio, le lampade al sodio a bassa pressione producono luce monocromatica a 589 nm con un'efficienza luminosa di 200 lm/w, che è la più alta di qualsiasi lampada. L'efficacia teorica-massima a quella lunghezza d'onda è di 525 lm/w, quindi la lampada ha un'efficienza luminosa del 38,1%. Poiché la lampada è monocromatica, l'efficienza luminosa corrisponde quasi all'efficienza della presa a muro di < 40%.

I calcoli per l'efficienza luminosa diventano più complessi per le lampade che producono luce bianca o una miscela di righe spettrali. Le lampade fluorescenti hanno efficienze maggiori rispetto alle lampade al sodio a bassa pressione, ma hanno solo la metà dell'efficienza luminosa di ~ 100 lm/w, quindi l'efficienza luminosa delle lampade fluorescenti è inferiore rispetto alle lampade al sodio. Un tubo flash allo xeno ha un'efficienza tipica della presa a muro del 50-70%, superiore a quella della maggior parte delle altre forme di illuminazione. Poiché il tubo flash emette grandi quantità di radiazioni infrarosse e ultraviolette, solo una parte dell'energia in uscita viene utilizzata dall'occhio. L'efficienza luminosa è quindi tipicamente di circa 50 lm/w. Tuttavia, non tutte le applicazioni per l'illuminazione coinvolgono l'occhio umano né sono limitate alle lunghezze d'onda visibili. Per il pompaggio laser , l'efficacia non è correlata all'occhio umano quindi non è chiamata efficacia "luminosa", ma piuttosto semplicemente "efficacia" in quanto si riferisce alle linee di assorbimento del mezzo laser . I tubi flash Krypton sono spesso scelti per il pompaggio di laser Nd:YAG , anche se la loro efficienza di presa a muro è in genere solo ~ 40%. Krypton righe spettrali s' meglio corrispondere le righe di assorbimento del neodimio - drogato cristallo, così l'efficacia di kripton a questo scopo è molto superiore allo xeno ; in grado di produrre fino a due volte l'uscita laser per lo stesso ingresso elettrico. Tutti questi termini si riferiscono alla quantità di energia e lumen che escono dalla sorgente luminosa, ignorando eventuali perdite che potrebbero verificarsi all'interno dell'apparecchio di illuminazione o delle successive ottiche di uscita. L'efficienza dell'apparecchio si riferisce all'emissione di lumen totale dall'apparecchio per l'emissione della lampada.

Ad eccezione di alcune sorgenti luminose, come le lampadine a incandescenza , la maggior parte delle sorgenti luminose ha più fasi di conversione dell'energia tra la "presa a muro" (punto di ingresso elettrico, che può includere batterie, cablaggio diretto o altre sorgenti) e il finale emissione luminosa, con ogni fase che produce una perdita. Le lampade al sodio a bassa pressione inizialmente convertono l'energia elettrica utilizzando un reattore elettrico , per mantenere la corrente e la tensione corrette, ma una parte dell'energia viene persa nel reattore. Allo stesso modo, anche le lampade fluorescenti convertono l'elettricità utilizzando un alimentatore (efficienza elettronica). L'elettricità viene quindi convertita in energia luminosa dall'arco elettrico (efficienza dell'elettrodo ed efficienza di scarica). La luce viene quindi trasferita a un rivestimento fluorescente che assorbe solo lunghezze d'onda adeguate, con alcune perdite di tali lunghezze d'onda dovute alla riflessione e alla trasmissione attraverso il rivestimento (efficienza di trasferimento). Il numero di fotoni assorbiti dal rivestimento non corrisponderà al numero quindi riemesso come fluorescenza ( efficienza quantica ). Infine, a causa del fenomeno dello spostamento di Stokes , i fotoni riemessi avranno una lunghezza d'onda maggiore (quindi energia minore) rispetto ai fotoni assorbiti (efficienza di fluorescenza). In modo molto simile, anche i laser sperimentano molte fasi di conversione tra la presa a muro e l' apertura di uscita . I termini "efficienza wall-plug" o "efficienza di conversione dell'energia" sono quindi utilizzati per indicare l'efficienza complessiva del dispositivo di conversione dell'energia, deducendo le perdite da ogni fase, sebbene ciò possa escludere i componenti esterni necessari per il funzionamento di alcuni dispositivi, come pompe del liquido di raffreddamento.

Esempio di efficienza di conversione energetica

Processo di conversione Tipo di conversione Efficienza energetica
Generazione di elettricità
Turbina a gas Da chimica a elettrica fino al 40%
Turbina a gas più turbina a vapore ( ciclo combinato ) Chimico to termico+elettrico ( cogenerazione ) fino al 63,08% A dicembre 2017, GE ha dichiarato >64% nel suo ultimo impianto 9HA.02 da 826 MW, rispetto al 63,7%. Hanno detto che ciò era dovuto ai progressi nella produzione additiva e nella combustione. Il loro comunicato stampa affermava che prevedevano di raggiungere il 65% entro i primi anni del 2020.
Turbina ad acqua Da gravitazionale a elettrico fino al 95% (praticamente raggiunto)
Turbina eolica Da cinetico a elettrico fino al 50% (HAWT isolatamente, fino al 25%–40% di HAWT nelle immediate vicinanze, fino al 35%–40% di VAWT isolata, fino al 41%–47% di VAWT in serie. 3128 HAWT di età superiore a 10 anni in Danimarca ha mostrato che la metà non ha avuto decrementi, mentre l'altra metà ha visto un calo della produzione dell'1,2% annuo.Limite teorico = 16/27= 59%)
Celle a energia solare Radiativo in elettrico 6–40% (dipendente dalla tecnologia, 15–20% più spesso, degradazione mediana per le tecnologie x-Si nell'intervallo 0,5–0,6%/anno con la media nell'intervallo 0,8–0,9%/anno. Tecnologia etero-interfaccia ( HIT) e le tecnologie del silicio microcristallino (µc-Si), sebbene non così abbondanti, mostrano una degradazione intorno all'1%/anno e assomigliano ai prodotti a film sottile più da vicino di x-Si. limite di stack infinito : 86,8% concentrato 68,7% non concentrato)
Cella a combustibile Da chimico a termico+elettrico (cogenerazione) L'efficienza energetica di una cella a combustibile è generalmente compresa tra il 40 e il 60%; tuttavia, se il calore di scarto viene catturato in uno schema di cogenerazione , è possibile ottenere efficienze fino all'85%.
Produzione mondiale di elettricità 2008 Produzione lorda 39% Produzione netta 33%
Stoccaggio di elettricità
Batteria agli ioni di litio Da chimica a elettrica/reversibile 80–90%
Batteria al nichel-idruro di metallo Da chimica a elettrica/reversibile 66%
Batteria al piombo Da chimica a elettrica/reversibile 50-95%
Motore/motore
Motore a combustione Da chimica a cinetica 10-50%
Motore elettrico Da elettrico a cinetico 70–99,99% (> 200 W); 50–90% (10–200 W); 30–60% (< 10 W)
Turbofan Da chimica a cinetica 20-40%
Processo naturale
Fotosintesi Radiativo a chimico dallo 0,1% (media) al 2% (migliore); fino al 6% in linea di principio (vedi principale: Efficienza fotosintetica )
Muscolo Da chimica a cinetica 14-27%
Apparecchio
Frigorifero domestico Da elettrico a termico sistemi di fascia bassa ~ 20%; sistemi di fascia alta ~ 40–50%
Lampadina incandescente Da elettrico a radiativo 0,7–5,1%, 5-10%
Diodo ad emissione luminosa (LED) Da elettrico a radiativo 4,2–53%
Lampada a fluorescenza Da elettrico a radiativo 8,0–15,6%, 28%
Lampada al sodio a bassa pressione Da elettrico a radiativo 15,0–29,0%, 40,5%
Lampada ad alogenuri metallici Da elettrico a radiativo 9,5–17,0%, 24%
Alimentatore a commutazione Da elettrico a elettrico attualmente fino al 96% praticamente
Doccia elettrica Da elettrico a termico 90-95% (moltiplicare per l'efficienza energetica della produzione di elettricità per confrontare con altri sistemi di riscaldamento dell'acqua)
Stufa elettrica Da elettrico a termico ~100% (essenzialmente tutta l'energia viene convertita in calore, moltiplicata per l'efficienza energetica della produzione di elettricità per confrontarla con altri sistemi di riscaldamento)
Altri
arma da fuoco Da chimica a cinetica ~30% (munizioni .300 Hawk)
Elettrolisi dell'acqua Da elettrico a chimico 50–70% (80–94% massimo teorico)

Guarda anche

Riferimenti

link esterno