Šta je energetska efikasnost?

Koncepti, indikatori i metodološke teme

Gradimir Cvetanović, Ivana Nikolić

Abstrakt:

Ovaj dokument se kritički odnosi prema nivoima indikatora energetske efikasnosti, koji se

mogu   koristiti   naročito   na   političkom   nivou.   Tradicionalni   termodinamički   indikatori   energetske
efikasnosti   su   pronađeni   kako   bi   bili   ograničeno   upotrebljivi,   s   obzirom   da   pružaju   nedovoljno
informacija   za   zahtevanu   krajnju   upotrebu.   Specifična   ograničenja   i   pravilna   upotreba   fizičko-
termodinamičkih,   ekonomsko-termodinamičkih   i   čisto   ekonomskih   indikatora   energetske   efikasnosti
nisu   razmatrani.   Dokument   daje   zaključak   sa   diskusijom   o   upornim   metodološkim   problemima   i
temama   koje   se   susreću   sa   pokušajima   operisanja   svim   indikatorima   energetske   efikasnosti.   Ovo
uključuje   ulogu   vrednih   mišljenja   u   izgradnji   indikatora   energetske   efikasnosti,   problema   kvaliteta
energije, graničnih problema, problema udružene proizvodnje i pitanje izolovanja osnovnog tehničkog
trenda energetske efikasnosti zbirnih indikatora.

Ključne reči:

Energetska efikasnost; Definicija: Indikatori

Energetska  efikasnost danas ima  veoma  važno mesto u planu rada javne  politike  mnogih razvijenih
zemalja.   Važnost   energetske   efikasnosti   kao   političkog   objekta   je   povezana   sa   komercijalnom,
industrijskom kompetivnošću i energetskim sigurnosnim benefitima, kao što su rastući benefiti zaštite
okoline u cilju smanjenja  CO

emisije. Uprkos stalnom političkom interesu i velikom broju napisanih

izveštaja i knjiga na temu „energetska efikasnost“, malo pažnje je posvećeno preciznom definisanju
termina.

Svrha ovog dokumenta jeste da pokrene debatu, kritički sagledavajući opseg mogućih definicija

energetske efikasnosti i kako one mogu biti stavljene u operativu korišćenjem indikatora. Metodološki
problemi i teme koji su se susreli sa pokušajima operativnih definicija će takođe biti obuhvaćeni.
Energetska efikasnost je opšti uslov, i ne postoji dvosmislena mera energetske efikasnosti. Uopšteno,
energetska efikasnost podrazumeva korišćenje manje energije uz postizanje iste količine produkata ili
korisnih izlaza. Npr. u industrijskom sektoru, energetska efikasnost se može meriti količinom potrebne
energije za proizvodnju tone produkta. Stoga, energetska efikasnost je često opšte definisana
jednostavnim odnosom:

Glavni problem postaje precizno definisanje korisnog izlaza i ulaza energije, koji u poduhvatu daju
povećanje broja važnih metodoloških razmatranja koja su često zapostavljena u literaturi.
Brojni indikatori mogu biti korišćeni za praćenje promena u energetskoj efikasnosti. Oni su podeljeni u
četiri glavne grupe:
1. Termodinamički: ovi indikatori se u potpunosti oslanjaju na merenjima koja su proistekla iz

termodinamike. Neki od ovih indikatora su jednostavne razmere, a neki su sofisticiranija merenja koja
se odnose na trenutnu upotrebu energije u „idealnim“ procesima.

2. Fizičko-termodinamički: ovo su hibridni indikatori gde je ulaz energije iskazan u termodinamičkim

jedinicama, ali je izlaz iskazan u fizičkim jedinicama. Ove fizičke jedinice pokušavaju da mere izlaz
procesa – npr. u tonama proizvoda ili miljama putnika.

3. Ekonomsko-termodinaički: ovo su takođe hibridni indikatori gde je izlaz meren na osnovu tržišne

vrednosti. Energetski ulaz, sa termodinamičkim i fizičko-termodinamičkim indikatorima, je iskazan u
konvencionalnim termodinamičkim jedinicama.

4. Ekonomski: ovi indikatori mere promene u energetskoj efikasnosti isključivo u tržišnim jedinicama

($).

Energetski ulaz i izlaz su nabrojani u monetarnim uslovima.

Termodinamički indikatori

Jednostavno rečeno, termodinamički indikatori energetske efikasnosti su najprirodniji ili najočigledniji
put za merenje energetske efikasnosti, s obzirom da je danas termodinamika definisana kao nauka o
energiji i energetskim procesima. Iznenađujuće, termodinamička merenja o energetskoj efikasnosti nisu
zadovoljavajuća   kao   što   se   na   prvi   pogled   čini.   Postoje   dobri   operativni   i   metodološki   razlozi   za
sveobuhvatno prihvatanje termodinamičkih merenja koja će kasnije biti razmatrana.
Međutim, privlačnost korišćenja termodinamičkih kvantiteta za merenje energetske efikasnosti je ta što su
sračunata  u uslovima  „stacionarnih funkcija“  u procesima. Ovo znači da  će  omogućiti jedinstvena  i
objektivna   merenja   za   dati   proces   na   osnovu   nekih   osobina   (temperatuara,   pritisak,   koncentracija,
hemijska   formula,   vrste   jezgara,   magnetske   osobine,   itd.).   Tako   bilo   koja   promena   fizičkih   uslova
prouzrokuje   neki   dinamički   proces,   povezane   promene   vrednosti   u   stacionarnim   uslovima   se   mogu
jednostavno meriti ili im biti pripisane. Slično, za specifične promene fizičkih uslova, minimalni zahtevi
za energijom mogu biti sračunati bez formulisanja.

Prvi zakon energetske efikasnosti

Prvi zakon se takođe odnosi na termičku efikasnost ili efikasnost entalpije. To je zbog toga što se meri
efikasnost ulaza i izlaza vrelog sadržaja procesa, i on je iskazan kao promena vrednosti entalpije

DH.

Odnos efikasnosti entalpije za bilo koji proces predstavlja dakle

vrednost izlaza procesa, podeljeno sa

vrednošću ulaza u proces:

[2]

(1)

Važno je shvatiti da se indikatori efikasnosti entalpije mere za korisne izlaze procesa – npr. usijana
sjialica ima efikasnost entalpije od 6

U ovom procesu samo 6

ulazne energije se pretvara u svetlosnu

energiju, dok preostalih 94

predstavlja toplotni gubitak. Ako se gubitak na izlazu bilo kog procesa doda

korisnom gubitku bilo kog procesa, totalni izlaz se tada izjednačava sa totalnim ulazom, kada je energija
merena u uslovima entalpije. U suštini, ovo je drugačiji put iskazivanja prvog zakona energetske
efikasnosti – a to je da u bilo kom procesu konverzije energija se ne može uništiti ili stvorirti. Zbog toga
se entalpijska efikasnost često naziva prvi zakon efikasnosti.
Korišćenje entalpijskih

(DH)

merenja energije, ne vodi računa o kvalitetu energije. Nije napravljena

razlika između visoko kvalitetnih izvora energije koji su korisniji i produktivniji, i manje kvalitetnih
izvora energije koji su manje korisniji i produktivniji. Npr. pretpostavlja se da jedinica električne energije
(visoko kvalitetna energija) ima istu korisnost kao jedinica solarne energije (nisko kvalitetna energija).
Uprkos ovim dobro poznatim nedostacima entalpijskih merenja sa poštovanjem kvaliteta energije,
analitičari kao što su Siošansi (1984) i Šur (1986) još uvek koriste ova merenja na makro nivou
proučavanja efikasnosti. Neke studije su varljive jer tretiraju različite energetske ulaze kao da su isti po
pitanju kvaliteta. Oni su samo slični u uslovima toplotnih ekvivalenata, ali ne i drugih osetljivih sistema –
široko kvalitetna merenja koja vode računa o drugim energetskim završecima koriste se odvojeno od
toplote.

[3]

Drugi zakon energetske efikasnosti (koristi radne potencijale da bi se podesio kvalitet energije)

Značajan problem sa prvim zakonom efikasnosti je taj da ne vodi računa o kvalitetu energije na ulazima i
korisnosti na izlazu. Dakle, ili su ulazi ili korisni izlazi dva procesa različitih kvaliteta koja ne mogu
značajno porediti njihove relativne energetske efikasnosti. To je kao poređenje baba i žaba.
Brojne numeracije

[4]

termodinamičkih kvaliteta mogu se koristiti za konvertovanje ulaznog imenioca

(DH

)

[5]

u odnosu termičke efikasnosti u zajedničku jedinicu kvaliteta, u pokušaju da se prevaziđe

ostalim uslovima, različite metode se mogu koristiti da se definiše minimum energetskih zahteva. Npr.
Sleser (1982) navodi Betcovu teoriju za određivanje maksimalne efikasnosti vetrenjače.
Dok   su   efikasnosti   drugog   zakona   bazirane   na   definiciji   idealnih   limita   procesa,   one   su   korisne   u
pointiranju teorije uštede energije koje mogu biti postignute inženjerskimm i tehničkim poboljšanjima, ali
su   i   ograničene   u   primeni   u   stvarnim   sistemima.   Prvo   ograničenje   metoda   je   da   fundamentalno
pretpostavlja   reverzibilnost,   koja   je   ekvivalentna   sa   pretpostavljenim   beskonačno   sporim   procesima.
Očigledno da procesi u stvarnom svetu zahtevaju da se dogode u konačnom vremenskom perodu –
hemijski inženjer zahteva da se hemijska reakcija odigra u određenom vremenskom periodu kako bi imala
ekonomsku   vrednost;   i   svi   motori   u   trenutnim   operativnim   uslovima,   moraju   razmatrati   ljudsko
nestrpljenje, koje u ovom redu uvodi celu seriju neizbežnih gubitaka kao što su gubici usled trenja.
Andersen

et al

(1977) and Wu (1988) imaju razvijenu optimizaciju metoda kako da prevaziđu

pretpostavku perfektne reverzibilnosti (beskonačno spori procesi) koji su korišćeni u kalkulaciji idelanih
energetskih efikasnosti. Ovaj metod, nazvan „ograničeno vreme termodinamike” sadrži minimalni set
ograničenja koji motori mogu prihvatiti. Može se pretpostaviti da pomeranjem od neograničenog vremena
klasične termodinamike, Andersen

et al

(1977) je eksplicitno prihvatio takozvani subjektivni faktor

„ljudskog   nestrpljenja”,   kao   bitan   u   kalkulisanju   energetske   efikasnosti.   Korisnost   njihovih   metoda,
međutim, pravi zamenu vremenskog ograničenja i upotrebe energije.
Drugo ograničenje  „idealnih metoda” energetske efikasnosti je da nije u mogućnosti da vrši računanje
indirektnih energetskih ulaza. Van Gool (1980) pointira nabrajanjem brojnih primera, uključujući, na
primer, slučaj povećanja dužine toplotnog razmenjivača da bi se povratila veća frakcija za dostupnu
toplotu. Uobičajeno, ali ne i uvek, postoji optimalna tačka između povećanja glavne opreme za očuvanje
procesne   energije   i   energetske   gubitke   u   indirektnom   energetskom   oličenju   dodatne   glavne   opreme.
Metod „idealnog limita” je u nemogućnosti da razmotri ovakve faktore. Naročito, uključujući indirektne
energetske ulaze, problem kvaliteta energije je ponovo naišao, jer će tu neizbežno biti nekoliko različitih
tipova energetskih ulaza koji moraju biti nekako izjednačeni.

Fizičko – termodinamički indikatori

[6]

Jedna od zamerki na račun trdicionalnih termodinamičkih indikatora energetske efikasnosti je da ne
obuhvataju adekvatno krajnju svrhu zahtevanu od strane korisnika u izlaznim merenjima. To je da brojioc
u termodinamičkim odnosima meri toplotu (prvi zakon) ili radne potencijale (drugi zakon). Potrošači ne
cene krajnji proizvod na osnovu sadržaja toplote ili radnog potencijala. Dakle, analitičari energetike su
razvili odnose efikasnosti koji mere izlaze u fizičkim jedinicama radije nego li u termodinamičkim. Ove
fizičke jedinice su specijalno razvijene da prikažu potrebe korisnika krajnjih proizvoda. Npr. željeni izlaz
tovarnog transporta je da nosi dato opterećenje ili tovar preko zadate distance – ovaj izlaz se dakle može
izražavati tonama kilometara. Stoga, odgovarajuća energetska efikasnost tovarnog transporta može biti:

Jedna od prednosti korišćenja ovakvih fizičkih merenja je ta da oni mogu biti objektivno mereni, kao što i
termodinamička merenja mogu, ali one imaju dodatnu prednost da mogu direktno odraziti šta potrošači
tačno zahtevaju od krajnjih proizvoda. Zbog toga što su fizička merenja, oni mogu biti poređeni u
longitudinalnim anlizama (vremenske serije). To je, da nije naiđeno na poteškoće u studijama vremenskih
serija, kao što je to slučaj sa ekonomskim indikatorima energetske efikasnosti tokom promena tržišnih
vrednosti. Tona kilometra ili tona proizvoda je uvek tona kilometra ili tona proizvoda, gde se tržišna
vrednost

($)

tone kilometra ili tone proizvoda može menjati prilično tokom dužeg vremenskog perioda.

Ako su korišćena hibridno fizičko – termodinamička merenja energetske efikasnosti, odgovarajuće je da
oni budu razvijeni na sektorskoj osnovi, zato što različiti sektori imaju različitu tendenciju ka različitim
industrijskim osnovnim standardima za specifične izlaze.
U stambenom i trgovačkom sektoru, najčešće korišćena merenja su energetski ulaz/kvadratni metar, iako
se javljaju izvesni problemi pri merenju zbirne energetske efikasnosti građevina. Obzirom da je
energetski ulaz/kvadratni metar indikator nekad prilagođen da računa stepen-dane (kao značajna
proporcija korišćenja energije u građevinama uključujući hlađenje/zagrevanje) i da reguliše potrošnju

tople vode. Komitet udruženja ekonomista američkog kongresa (1981) predložio je da su kubni metri
bolji za merenje od kvadratnih, iako je teško takav podatak uvrstiti u zvaničnu statistiku. Fundamentalni
problem sa energetskim ulaz/kvadratni metar ili energetski ulaz/kubni metar je da su oni predviđeni na
osnovu ideje glavne službe dodeljene građevinama kao što su HVAC i osvetljenje, i one su direktno
proporcionalne kvadratnom ili kubnom metru. Građevinske strukture, pretežno za stanovanje su centar za
isporuku mnogih energetskih servisa kao npr. vodeno grejanje, kuvanje i obavezno električne servise.
Dakle, za građevinski sektor možda je odgovarajuće razviti indikatore za merenje isporuke ili kuvanja ili
vodenog grejanja:
1. energetski ulaz/zagrevanje kuvanjem, do specifične temperature;
2. energetski ulaz/vodeno zagrevanje, do specifične temperature.
Različiti tipovi fizičko-termodinamičkih indikatora mogu se razviti za transportni sektor. Izlazna merenja
moraju reflektovati objektivno specifičan tip transportne aktivnosti. Za tovarni transport, odgovarajući
indikator   je   energetski   ulaz/tona   kilometra,   funkcija   tovarnog   transporta   je   da   pomeri   tovarnu   masu
(mereno   tonama)   preko   zadate   distance   (mereno   kilometrima).   Za   prevoz   putnika,   energetski
ulaz/kilometar putnika ili energetski ulaz/kilometar vozila mogu biti odgovarajući indikatori energetske
efikasnosti. Predlagano je od strane Kolinsa (1992) da je energetski ulaz/kilometar vozila neodgovarajući
indikator, jer je cilj transporta putnika prevesti putnike preko neke distance, a ne vozilo koje može biti
skoro prazno tokom prelaza distance. Takođe se može prihvatiti da za mnoge operacije transporta, cilj
nije tona kilometra ili kilometar putnika, nego tona kilometra ili kilometar putnika po jedinici vremena.
To je zato jer brzina i potreba za minimizacijom vremena transporta jesu značajniji od prevoza tovara i
putnika. Zato možemo ustanoviti da se transportni indikatori energetske efikasnosti mogu prilagoditi da
budu zaslužni za brzinu vršenja radnje koji se mogu primenit na mnogim transportnim operacijama.
Zbog   heterogene   povezanosti   industrijskog   i   poljoprivrednog   sektora,   u   uslovima   veoma   različitih
produkata nastalih iz različitih industrija, bilo koji način pronalaženja agregativnog fizičkog izlaznog
merenja je besmilen. Za većinu industrije produkti, se mogu izraziti u jedinicama mase – npr. tone butera,
tone cigli, tone pšenice, tone aluminijuma. Dakle, odgovarajući indikatori mogu biti:
1. energetski ulaz/tone butera;
2. energetski ulaz/tone cigli;
3. energetski ulaz/tone pšenice;
4. energetski ulaz/tone aluminijuma.
Za ostale industrije, odgovarajuće merenje volumetrijskih izlaza može biti – npr. litre mleka, kubik vode
ili drvo, deblo, litre ulja. U svakom od slučaja mere standardne industrije moraju biti primenljive i mora
se voditi računa o preciznom definisanju izlaza – npr. neke industrije koriste suve tone za merenje izlaza
nego li tone svežeg proizvoda.
Merenje energetske efikasnosti u uslovima fizičkih-termodinamičkih indikatora nije baš precizno kao što
se na prvi pogled čini zbog takozvane združene proizvodnje ili podeljenih problema. Ovo se odnosi na
otežano   prebacivanje   jednog   energetskog   ulaza   na   više   izlaza   u   industriji.   Npr.   zadata   količina
energetskog ulaza