Energi och Exergi

Energi kan inte förbrukas, energi kan endast omvandlas från en energiform till en annan energiform.
Varför håller vi fast vid kunskaper som är mer än 150 år gamla och tar inte till oss det man redan visste 1845?
Teorin om energins bevarande kom 1845, James Joule. William Thomson (Lord Kelvin) myntade begreppet termodynamik 1849.

Till exempel kan kemisk energi i bensin omvandlas till värme och tryckenergi i en förbränningsmotor. Dessa energiformer förvandlas i sin tur till rörelseenergi i motorns innanmäte och vidare till växellådan ut i hjulaxlarna och ut på hjulen. Bilen får därmed rörelseenergi och vi kan transportera oss. På vägen från bensinen till hjulen sker många energiomvandlingar, dessa är behäftade med förluster i form av bl a friktion. Bensinen vi tankar utnyttjas egentligen rätt dåligt. Verkningsgraden för en bensinmotor är inte bättre än ca 30 %. Dessutom tappar vi många av dessa procenten ytterligare i energiomvandlingar från vevaxeln till hjulen.

Ändå, om vi skulle analysera den energi som vi stoppar in i motorn, skulle vi kunna hitta tillbaka varenda Wh eller Joule på vägen ut från bilen. Största energimängden förvandlas till värme i avgaserna, i kylsystemet och som friktion i lager m m. Med andra ord energin som vi matat in kommer ut igen, men i andra former än bensinenergi. Energi är konstant! Många fler exempel ur vardagen kan illustrera ovanstående. Vilka energiomvandlingar sker till exempel om vi matar in elektrisk ström i en matberedare?

Vad är då exergi?

Fysiken definierar exergi på följande sätt:
Energi = exergi + anergi

Exergi är den delen av energin som går att omvandla till mekaniskt arbete med hjälp av en teknisk process. Olja kan till exempel förbrännas i en pannan där man kokar vatten till ånga. Den ångan kan i sin tur driva en ångturbin som är kopplat till en generator som alstrar elektrisk ström. Förlusterna i processen gör att endast ca 35% av oljeenergin blir elektrisk energi. 
Anergi är den delen av energin som inte går att omvandla till mekaniskt arbete. Denna del utgörs av förluster. I processen ovan kyls den helt sonika bort. Med kyltorn eller havs-/sjö-/älvsvatten

Om jag frågar dig hur många sedlar har du i plånboken och du svarar mig 13 st. Då har jag fått ett besked om kvantiteten. Jag har dock ingen aning om hur rik du är. Sedlarna kan vara 20 lappar eller 1000 lappar eller en blandning av olika valörer.

Om jag frågar dig hur mycket energi gör du och din familj av med per år (OBS frågan är felställd; hur mycket energi omvandlar du per år?)

Får jag som svar 80.000 kWh, vet jag kvantiteten, men jag har ingen aning om kvalitén!
Detta uttrycker exergi: exergi är ett kvalitetsmått för energi.

Hade jag fått svaret vi gör av med (omvandlar!) 20.000 kWh i form av bensin, 18.000 kWh i form av biobränsle och 7000 kWh i form av el och 35.000 kWh som vi inte har en aning om vilken kvalitet den har eftersom det är energin som har omvandlats för att skaffa fram mat och andra förbrukningsvaror till vår familj.

Ett sådant svar skulle ge betydligt bättre information om vilka kvalitéer energi familjen omvandlar. Det skulle också gå att räkna ut hur mycket exergi familjen har förbrukat! Just det: exergi kan förbrukas i motsats till energi som endast går att omvandlas.

Exergi går att uttrycka i siffror. Med tanke på hur exergi definieras (energi som går att omvandla till mekaniskt arbete) blir verkningsgraden för omvandlingsprocessen från en viss sorts energi till mekaniskt arbete ett sätt att uttrycka exergin i den ingående energin i det aktuella fallet.

Processen som är bäst på att omvandla energi till mekaniskt arbete är Carnot processen. (Nicolas Carnot 1796-1832 och James Watt 1736-1819 utvecklade teorier inom värmeläran, termodynamiken, som vidareutvecklades av James Joule 1818-1889 och Lord Kelvin 1824-1907)

Carnot processen har en verkningsgrad som är (Thög – Tlåg )/Thög Där temperaturerna sätts in i Kelvin.

Moderna elmotorer (stora) har en verkningsgrad om ca 98%
Exergin för el kan därmed sättas till 0,98.
10.000 kWh el innehåller 9.800 kWh exergi

Olja som förbränns för att värma ett hus, har en exergi som är (1600-20)/(1600+273)=0,84
1 m3 olja innehåller 10.000 kWh energi och 8500 kWh exergi!

Fjärrvärme med en temperatur om 80 °C som omvandlas till rumsluft om 20 °C har exergin: (80-20)/(80+273)=0,17
10.000 kWh fjärrvärme (80 °C) innehåller därmed 1.700 kWh exergi.

Värmer vi ett hus med 10.000 kWh, omvandlar vi 10.000 kWh till ljummen luft och vi förbrukar

• 9800 kWh exergi om vi gör det med el
• 8500 kWh exergi om vi gör det med olja
• 1700 kWh exergi om vi gör det med fjärrvärme

Exergin för fjärrvärmen är naturligtvis i ett tidigare energiomvandlingsskede beroende av hur fjärrvärmen alstras. Är fjärrvärmen en restprodukt från elalstring som i kraft-värmeverk* blir exergin så låg som 0,17.

*(usch, det borde heta värme-elverk. I karftbolagens värld har kraft enheten kW, i fysikens värld har kraft enheten N (Newton))

Slutsats:
Rätt energiform skall användas på rätt plats!

El med sin höga exergi skall användas till det (enbart) el är bra på. Till exempel: belysning, driva elmotorer, datorer m m. El skall inte användas för att tillverka ljummen luft som har en exergi mycket nära noll. Det är exergiförbrukning!

Spillvärme från industrier och värme-elverk som har en låg exergi skall användas till att värma vår låg-exergi rumsluft.

Vill du veta mer?
Besök länken Exergi, ekologi o demokrati. Sidor med massvis med tankar och information om exergi, av Universitetslektor Göran Wall.
Även en sökning med en sökmotor på ordet exergi ger många intressanta träffar.

OBServera dock att exergi inte är något mått för förnybart eller icke förnybart.