Energia ja võimsus

Enamus energia tarbimist puudutavaid diskussioone on segased kõikvõimalike erinevate energiat ja võimsust mõõtvate ühikute kasutamise tõttu, alustades „tonni õli ekvivalendist" ja lõpetades „teravatt-tundide" ( $T W h$ ) ja „eksadžaulidega" ( $E J$ ). Ainult spetsialistid mõistavad, mida „naftabarrel" või „miljon $B T U$ " inimkeeli tähendab. Selles raamatus paneme me kõik numbrid ühte isikustatud ühikusse, millega igaüks saab suhestuda.

Energia ühikuks valime kilovatt-tunni ( $k W h$ ). See ilmub ka „ühe tükina" meie elektriarvel ja maksab kodukasutajale umbes $13$ senti ( $10$ p Ühendkuningriikides 2008.a). Me näeme, et enamus individuaalsetest päevastest valikutest tähendavad energia hulki, mis on väljendatavad väikese arvu kilovatt-tundide kaudu.

Joonis 2.1 Tuleb teha vahet energia ja võimsuse vahel. Kõigi joonisel kujutatud 60 W elektripirnide võimsuseks on 60 W; neil ei ole 60 W „energiat". Elektripirn kasutab sisselülitatult 60 W elektrilist võimsust; ja kiirgab 60W võimsust valguse ja soojusena (peamiselt soojusena).

Kui me räägime võimsusest (kiirus, millega me kasutame või toodame energiat), siis kasutame ühikuna kilovatt-tundi päevas ( $k W h / p$ ). Vahetevahel kasutame ka vatte ( $40 W, \approx 1 k W h / p$ ) ja kilovatte ( $1\amthrmkW=1000W=24kWh/p$ ), nagu selgitatakse allpool. Kilovatt-tundi päevas on hea ühele inimesele kohandatav ühik: enamik meie isiklikest energia kugistamistest neelavad seda kiirusega, mis on väljendatav väikese hulga kilovatt-tundidena päevas. Näiteks terveks päevaks põlema jäetud $40 W$ elektripirn kasutab ühe kilovatt-tunni energiat päevas. Mõned energiafirmad pakuvad graafikuid, kus energia tarbimine on näidatud kilovatt-tundides päevas. Ma kasutan ühtesid ja samasid ühikuid igasuguse, mitte ainult elektrienergia tarbimise võimsuse kohta. Bensiini tarbimine, gaasi tarbimine, söe tarbimine: ma mõõdan kõike seda kilovatt-tundides päeva kohta. Ja teeme ühe asja selgeks: mõne inimese jaoks käib sõna „võimsus" kokku vaid elektrienergia kasutamisega. Aga see raamat tegeleb kõigi energia vormide kasutamisega, sestap kasutame sõna „võimsus" kõigi nende kohta.

Üks kilovatt-tund päeva kohta on ka ligikaudu see võimsus, mida suudab pakkuda üks inimtööline. Kilovatt-tundide arv päeva kohta on seega ka inimeste arv, mida on vaja sellise keskmise võimsuse saavutamiseks. Tavakõnes me kasutame termineid energia ja võimsus segiläbi, aga selles raamatus me peame järgima nende rangelt teaduslikku definitsiooni. Võimsus on energia kasutamise kiirus.

ruumala me mõõdame liitrites	voolukiirust me mõõdame liitrites minuti kohta
energiat me mõõdame $k W h$	võimsust me mõõdame $k W h$ päeva kohta

Võib-olla on hea energia ja võimsuse selgitamise viis võrrelda seda vee ja vee vooluga. Kui te tahate vett juua, siis on teile oluline vee ruumala - näiteks üks liiter (kui teil on suur janu). Kui te panete kraanist vee jooksma, siis te tekitate vee voolu - ühe liitri minutis, kui kraanist vesi vaevu niriseb; kümme liitrit minutis, kui vool on tugevam. Te saate ühesuguse ruumala (ühe liitri) vett kätte kätte kas lastes veel vaevu nirisevast kraanist voolata ühe minuti või kümnendiku minutiga, kui kasutate seda teist kraani. Mingi aja jooksul kätte saadud vee ruumala saame, kui korrutame voolu kiiruse ajaga:

r u u m a l a = v o o l u k i i r u s \times a e g

Me ütleme, et voolukiirus näitab, kui kiiresti mingi ruumala kätte saadakse. Kui me teame mingi konkreetse ajaga kätte saadud ruumala, siis saab voolukiiruse arvutada, kui jagame selle ruumala ajaga:

v o o l u k i i r u s = \frac{r u u m a l a}{a e g}

See ongi seos energia ja võimsuse vahel. Energia on nagu vee ruumala; võimsus on nagu vee voolukiirus. Näiteks kui röster tööle panna, hakkab see tarbima energiat kiirusega üks kilovatt. See jätkab $1 k W$ tarbimist, kuni see välja lülitatakse. Teisiti, röster (kui see on pidevalt sisse lülitatud) tarbib ühe kilovatt-tunni energiat tunnis; ja see tarbib $24$ kilovatt-tundi energiat päevas. Mida kauem on röster sisse lülitatud, seda rohkem energiat see tarbib. Te saate mingi tegevusega tarbitud energia arvutada, kui korrutate võimsuse ajaga:

e n e r g i a = v ~ o i m s u s \times a e g

Rahvusvaheline energiaühik on džaul, aga kahjuks on see liiga väike, et siin kasutada. Üks kilovatt-tund vastab $3, 6$ miljonile džaulile.

Võimsus on nii kasulik ja tähtis mõiste, et sellel on midagi, mida voolukiirusel ei ole: oma spetsiaalne mõõtühik. Kui me räägime voolukiirusest, siis me mõõdame seda „liitrites minuti kohta", „gallonites tunni" või „kuupmeetrites sekundi kohta". Nende ühikute nimed annavad selgelt mõista, et voolukiirus on "ruumala ajaühiku kohta". Kui võimsus on üks džaul sekundi kohta, siis seda nimetatakse vatiks. $1000$ džauli sekundis kutsutakse kilovatiks. Teeme endale terminoloogia selgeks: röster kasutab ühte kilovatti. See ei kasuta „ühte kilovatti sekundi kohta." Sõnapaar „sekundi kohta” on kilovati definitsioonis sees: üks kilovatt tähendabki „üks kilovatt sekundi kohta". Samamoodi me ütleme, et „tuumaelektrijaam toodab ühe gigavati." Muide, üks gigavatt on üks miljard vatti või miljon kilovatti või $1000$ kilovatti. Seega on üks gigavatt miljon röstrit. Ja „ $g$ ” ning „ $w$ ” sõnast „gigawatt” kirjutatakse suurtähtedega ainult siis, kui me kirjutame nad lühendiks „ $G W$ ."

Palun ärge kunagi öelge „üks kilovatt sekundi kohta", „üks kilovatt tunni kohta" või „üks kilovatt päeva kohta." See, et inimesed väga tahavad rösterist rääkides öelda „millegi kohta", on üks põhjuseid, miks ma otsustasin kasutada võimsuse ühikuna „kilovatt-tundi päeva kohta." Palun vabandust, et seda on kohmakas kirjutada ja välja öelda.

Veel viimane asi, mille peame selgeks tegema: kui ma ütlen „keegi kasutab gigavatt-tunni energiat," siis ma lihtsalt ütlen, kui palju energiat ta kasutas, mitte seda, kui kiiresti ta seda energiat kasutas. Gigavatt-tunnist rääkimine ei tähenda, et see energia oleks kasutatud ühe tunni jooksul. Te võite ühe gigavatt-tunni energiat kasutada ära ühe tunni jooksul, kui lülitate korraga sisse miljon röstrit või kui lülitate sisse $1000$ rösterit $1000$ tunniks.

Nagu öeldud, enamasti ma kasutan võimsuse ühikuna $k W h / p$ inimese kohta. Üks põhjus, miks mulle sellised personaalsed ühikud meeldivad, on see, et nende kasutamine teeb lihtsaks siin Suurbritannia kohta öeldut teistele riikidele või regioonidele laiendada. Oletagem näiteks, et me arutleme jäätmete põletamise üle ja saame teada, et Suurbritannias annab jäätmete põletamine $7 T W h$ energiat aastas ja et Taani jäätmete põletamine annab $10 T W h$ aastas. Kas see annab aluse öelda, et Taani põletab „rohkem" jäätmeid, kui Suurbritannia?

Ehkki jäätmetest riigis toodetav koguvõimsus võib olla huvitav number, on minu arvates ühe inimese kohta põletatavate jäätmete hulk see, mida me tavaliselt teada tahame. (Ametlikult siis: Taani, $5 k W h / p$ inimese kohta; Suurbritannia, $0.3 k W h / p$ inimese kohta. Seega põletatavad taanlased jäätmeid $13$ korda rohkem kui britid). Trükiruumi kokku hoidmiseks lühendan ma vahel „inimese kohta" kui „/i". Rääkides algusest peale kõigest inimese kohta, saame me paremini adapteeritava raamatu, millest on loodetavasti taastuvenergeetika käsitlemisel kasu kogu maailmas.

TeX parse error: Missing close brace (üks teravatt-tund) on võrdne miljardi $k W h$ -ga.