Energia – od czasów najdawniejszych do dalekiej przyszłości #13 - „dwa wiaderka prądu”, czyli jak zmierzyć „energię” (cz. 4)

W poprzednim tekście omówiliśmy kilka jednostek związanych z fizyką mikroświata, a także z ogromnymi energiami zjawisk zarówno wywoływanych przez człowieka (eksplozje jądrowe), jak i naturę (huragany, wulkany itp.). Obecnie zajmiemy się jednostkami bardziej użytecznymi w życiu każdego z nas. Płacąc rachunki za prąd widzimy rozliczenie w kilowatogodzinach. W przypadku samochodów używamy pojęcia koni mechanicznych. Rozróżniamy też w elektrowniach moc cieplną od elektrycznej. Z kolei w przypadku wyznaczania zasobów paliw (np. kopalnych) chcielibyśmy je wyrażać nie w tonach, ale w jednostkach energii, aby wiedzieć na jak długi czas zostanie pokryte nasze zapotrzebowanie.

kilowatogodzina [kWh]

Ciekawy przypadek. Jest jednostką energii, a w nazwie zawiera „wat”, czyli jednostkę mocy. Kilowatogodzina jest zatem równoważna dżulom, a nie watom. Jakby tego było mało to czasami na dżul mówi się watosekunda. Z pozoru wygląda to na dosyć dziwną konstrukcję. W jednym z poprzednich tekstów startując od kilograma, metra i sekundy doszliśmy do definicji dżuli i watów. Mówiąc w uproszczeniu dzieliliśmy dżule przez sekundę i otrzymywaliśmy waty. Tutaj mnożymy waty przez sekundę/godzinę i otrzymujemy dżule. Czyli jakby z jednostki „wyżej” robimy jednostkę „niżej”. Na pewno ma to jakiś cel. Otóż kilowatogodzina (kWh) zawiera w nazwie pewną informację. Jest to ilość energii jaką zużywa pracujące przez godzinę urządzenie o mocy 1000 watów, czyli jednego kilowata (kW):

1 kWh = 1 x 1000 W 1 h = 1 x 1000 W 3600 s = 1000 x 3600 W s = 3600000 Ws = 3,6 MJ

Definicja pokazuje, że ta jednostka jest bardzo użyteczna na co dzień i wykorzystuje się ją do rozliczania „zużycia” energii elektrycznej. Oczywiście w zależności od skali: gospodarstwo domowe lub zakład przemysłowy, używa się odpowiednich przedrostków. Mamy więc „megawatogodziny”, „gigawatogodziny”, czy „terawatogodziny”.

I znowu przypomnę: skrót „kilowat” nie jest skrótem „kilowatogodziny”. Nie jest nawet jednostką energii, a mocy.

Koń mechaniczny

Ponoć jedno z najczęściej zadawanych pytań przez mężczyzn to pytanie: „Ile ma koni?”. Nie chodzi tutaj oczywiście o sąsiada i stajnię, ale o samochód. W przypadku tej jednostki nie trudno zgadnąć jaka jest jej geneza. Dawniej prace wykonywane były przez konie. To dość ciekawy temat i wrócimy do niego przy opisie tzw. łańcuchów troficznych. Kiedy pojawiła się maszyna parowa wiele się zmieniło. Główne zmiany to powstanie przemysłu opartego na maszynach nie biologicznych (dawniej używano nazwy – silnik żywy). Żeby przekonać właściciela fabryki do zastąpienia koni silnikiem parowym potrzebna była jakaś jednostka, która pozwala na łatwe wyobrażenie co ten silnik może w porównaniu z koniem i czy taka zmiana się opłaca.

Przy definiowaniu jednostki (XIX wiek) założono, że moc jednego pracującego przez cały dzień konia jest równa mocy silnika parowego: 3 KM. Przelicznik bierze się stąd, że jest to równoważne pracy trzech koni w zmianach 8 godzin przez cały dzień. Właściciel fabryki wiedział więc jaka jest zastępowalność silników parowych. Oczywiście nie było łatwo zdefiniować jednoznacznie tego przelicznika. Było więc wiele przeliczników i dość dużo sporów w tym temacie. Przecież później pojawiły się silniki elektryczne i spalinowe. Konie przecież też są różne i każdy z nich co innego potrafi. Żywienie konia, temperatura, w której pracuje, choroby itp. to wszystko wpływa na wyznaczenie jakiejś wartości porównawczej. Do tego można dodać jeszcze różne kraje i różne procesy. Mamy, więc: koń angielski, koń niemiecki, koń parowy, koń zaprzęgowy itp.

Koń mechaniczny oczywiście jest jednostką pozaukładową. Obecnie jego przelicznik to:

1 KM = 735,49875 W

1 kW = 1,36 KM

Nawet dzisiaj, kiedy króluje układ SI i wat i tak każdy fan motoryzacji mówi o koniach. Zazwyczaj producenci podają dwie jednostki: kW i KM. Jedna z nich jest podawana w nawiasie. I każdy marzy, aby powiedzieć „To cudo ma 300 koni pod maską”. Na pewno ładniej brzmi niż „To cudo ma 220,59 kW pod maską”. „Ładniej” bierze się stąd, że „więcej”, chociaż w obu przypadkach moc jest taka sama.

Tona paliwa umownego (tpu)

Jednostka umowna definiowana jako tona paliwa o wartości opałowej równej 7000 kcal/kg (wysokokaloryczny węgiel kamienny);

1 tpu = 10³ kg x 7000 kcal/kg = 7 x 10⁶ kcal = 29,3076 x 10⁹ J = 29,3076 GJ = 8,141 MWh

Najczęściej jednostkę wykorzystuje się do oceny zasobów paliw stałych.

Tona oleju ekwiwalentnego (toe)

Jednostka umowna o wartości opałowej 42 MJ/kg (ropa naftowa), stosowana do oceny zasobów paliw ciekłych i definiowana:

1 toe = 1,4286 tpu = 41,86 GJ

Przy okazji widać, że ropa naftowa jest lepszym paliwem od najwydajniejszego węgla.

Dla paliw gazowych wartość energetyczną podajemy w przeliczeniowych (m³)_p:

(m³)_p = 8200 kcal = 34,33 x 10⁶ J = 34,33 MJ

MWe, MWt – co to takiego?

O tych jednostkach wspomnimy w tekście przy omawianiu budowy i działania elektrowni. Teraz wspomnimy tylko, że czasami można się spotkać z takimi określeniami. Co zatem oznaczają literki „e” i „t”?

MWt – oznacza megawat mocy cieplnej (termicznej)

MWe – oznacza megawat mocy elektrycznej

Dlaczego odróżniamy moc cieplną od elektrycznej? Elektrownia jest dość skomplikowanym układem termodynamicznym, w którym zachodzi wiele procesów. Aby z węgla uzyskać prąd, trzeba dokonać odpowiednich konwersji i transformacji energii. Bez wgłębiania się w szczegóły przypomnijmy sobie, że z energii chemicznej zawartej w paliwie uzyskujemy energię cieplną. Następnie energię cieplną przekształca się na mechaniczną, a potem elektryczną. Każdy z tych procesów z oczywistych względów generuje straty.

Oczywiście ze względów na wiele stopni konwersji i transformacji energii musimy jeszcze wprowadzić inne pojęcia, jak choćby moc zainstalowana, moc osiągalna, moc znamionowa itp. Do tego dochodzi jeszcze sprawność, która uwzględnia straty. Dlatego te dwie literki pozwalają nam odróżnić , czy mówimy o mocy cieplnej, czy też elektrycznej.