Energija

Povpraševanje po energiji hitro narašča zaradi dejavnikov, kot so naraščajoče svetovno prebivalstvo, urbanizacija, industrializacija in tehnološki razvoj. Ker je energija temeljna sestavina vseh izdelkov in se uporablja v skoraj vseh vidikih vsakdanjega življenja, je ključna sestavina za dvig ravni blaginje družb. Neposredno je povezan z vsemi vidiki blaginje ljudi, vključno s potrebami, kmetijskimi vprašanji, zdravstvenim varstvom, zaposlovanjem, izobraževanjem in trajnostjo [1]. Delež ljudi, ki imajo dostop do električne energije po vsem svetu, se je povečal s 83 % v letu 2010 na 91 % v letu 2020. Število posameznikov brez dostopa do elektrike se je v tem času zmanjšalo z 1,2 milijarde na 733 milijonov. Samo 92 % svetovnega prebivalstva bi imelo leta 2030 dostop do elektrike, če bi se stvari nadaljevale tako, kot so, zaradi česar bi 670 milijonov ljudi ostalo brez elektrike [2]. Dostava energetskih storitev mora biti varna, cenovno dostopna in imeti minimalne negativne vplive na okolje, da bo razvoj trajnosten [3].

Viri energije

Energija je opredeljena kot sposobnost opravljanja nalog. Na voljo je v različnih oblikah, vključno z mehansko (potencialno in kinetično), toplotno, električno, kemično in jedrsko energijo. Prav tako ga je mogoče pretvoriti iz ene oblike v drugo za uporabo v različnih aplikacijah in ga je mogoče kategorizirati na različne načine [4].

Primarna energija zajema vse vire energije, ki niso bili transformirani, neposredno izkoriščeni ali uvoženi. Kot je prikazano na sliki 1, obstajata dve različni vrsti primarnih virov energije: neobnovljivi in obnovljivi. Nafta, premog, plin, uran in vse druge oblike obnovljive energije, kot sta vodna energija in veter, so primeri primarne energije. Medtem ko se obnovljiva energija proizvaja iz virov, ki jih je mogoče sčasoma obnoviti po naravni poti in so zato primerni za uporabo, imajo neobnovljivi viri energije omejene zaloge, ker običajno potrebujejo dolgo časa, da se obnovijo [5, 6]. Sekundarna energija nastane, ko se primarna energija transformira ali predela; primeri vključujejo proizvodnjo električne energije iz zgorevanja zemeljskega plina ali predelavo hidroelektrične energije. Proizvodnja naftnih derivatov, kot je bencin pri rafiniranju surove nafte, in proizvodnja koksa iz premoga sta dva dodatna primera sekundarne energije [7].

Neobnovljivi viri energije

Neobnovljiva energija izvira iz virov, ki jih v bližnji prihodnosti ni mogoče obnoviti ali pa je njihova stopnja obnavljanja bistveno počasnejša od stopnje porabe. Ker so ti primarni viri energije v naravi v omejenih količinah, veljajo za neobnovljive vire. Med neobnovljive vire energije spadajo fosilna goriva (premog, nafta in plin) ter radioaktivni minerali, ki se uporabljajo pri proizvodnji jedrske energije [5].

Premog je sedimentna kamnina, ki je črne ali rjavkasto-črne barve in jo je mogoče zažgati za pridobivanje energije. Čeprav se premog lahko uporablja za proizvodnjo toplote v industriji, je njegov glavni namen proizvodnja električne energije in številne države se zanašajo na njegovo razpoložljivost za stalen vir energije. Nafta je mešanica ogljikovodikov, ki jih lahko najdemo v tekočem, plinastem in trdnem stanju. Tekočo in plinasto nafto, dve najpogostejši vrsti nafte, običajno črpamo iz rezervoarjev z vrtanjem vrtin in črpanjem končnega proizvoda na površje. Dizel je produkt surove nafte, ki se široko uporablja v aplikacijah, povezanih z energijo, kot so prevoz, ogrevanje in proizvodnja električne energije. Zemeljski plin je plin, ki ga je mogoče najti ločeno in raztopljenega v surovi nafti. Ima več energije na enoto goriva in običajno manj obremenjuje okolje kot surova nafta ali njeni proizvodi, kar je njena glavna prednost. Zemeljski plin ima različne uporabe, od stanovanjskih preko komercialnih do industrijskih. Stanovanjske aplikacije vključujejo kuhanje in ogrevanje, komercialne pa vključujejo ogrevanje prostorov in vode. Radioaktivni minerali (uran ali plutonij) sproščajo energijo znotraj svojih atomov, ko je jedro razpadlo zaradi jedrske cepitve, pri čemer se sprosti toplota, ki se nato lahko uporabi za proizvodnjo električne energije [1, 6]. Kurjenje premoga, nafte ali plina v elektrarnah na fosilna goriva proizvaja toploto v obliki pare, ki poganja ogromne turbine, ki proizvajajo elektriko. Ti stroji dosledno proizvajajo elektriko daljša obdobja [3].

Obnovljivi viri energije

Obnovljivi viri energije so tisti, ki jih je mogoče obnoviti naravno, zaradi česar so praktično neomejeni. Sonce, zemeljska toplota, veter in voda so le nekateri primeri. Energija, pridobljena iz biomase, se prav tako šteje za obnovljivo [9]. Obnovljivi viri energije imajo ogromen potencial za zagotavljanje vseh potrebnih energetskih storitev. Nadaljnji razvoj in uporaba obnovljivih virov energije z uporabo sodobnih tehnologij pretvorbe bi izboljšala globalno energetsko varnost, znižala dolgoročno ceno konvencionalnih goriv in ohranila zaloge fosilnih goriv za druge uporabe in prihodnje generacije [10].

Širok nabor tehnologij je na voljo ali pa se razvijajo za zagotavljanje cenovno dostopnih, zanesljivih in dolgoročnih storitev obnovljive energije [10]. Sončna energija nastane s pretvorbo sončne svetlobe v toploto ali elektriko. Sončna energija se uporablja v različnih tehnologijah. Sem spadajo sončno ogrevanje, fotonapetostne celice in tehnologija pridobivanja električne energije s sončno toploto. S kurjenjem biomase lahko iz biomase proizvedemo energijo na dva načina: neposredno kot toploto ali elektriko ali posredno kot tekočino ali plin, ki lahko proizvaja energijo. Les, koruza, sladkorni trs, živalski odpadki in trdni komunalni odpadki so le nekateri primeri biomase. Energijo lahko pridobivamo tudi iz deponijskega plina ali metana, ki nastane pri razgradnji biomase na odlagališčih. Tehnologije za biomaso vključujejo energetske sisteme iz biomase in transportna biogoriva. Vetrne turbine lahko pretvorijo vetrno energijo v električno ali mehansko. Za izkoriščanje moči vetra so vetrne turbine običajno sestavljene iz lopatic, nameščenih na jaških in stolpih. Tekoča voda ustvarja energijo, ki jo je mogoče zajeti in pretvoriti v električno energijo, zaradi česar je hidroelektrarna najčistejši in najučinkovitejši način za proizvodnjo električne energije. Z geotermalno tehnologijo se pridobiva toplota iz zemeljskega površja in se neposredno uporablja za ogrevanje in hlajenje ali pa se pretvori v električno energijo [3, 9, 11].

Tabela 1 primerja prednosti in slabosti obnovljivih in neobnovljivih virov energije.

Tabela 1: Primerjava energetskih virov [5]

Globalni energetski sektor

Globalno povpraševanje po energiji hitro narašča zaradi urbanizacije, prebivalstva in gospodarske rasti, zlasti v nastajajočih tržnih gospodarstvih. Kot je prikazano na sliki 1, se je skupna svetovna oskrba s primarno energijo (TPES) med letoma 1971 in 2019 povečala za več kot 2,6-krat in dosegla 606 EJ [12]. Večino svetovne oskrbe z energijo prihaja iz držav Organizacije za gospodarsko sodelovanje in razvoj (OECD). Od leta 2019 so države OECD prejele 37,1 % celotne oskrbe z energijo. Kitajska je bila na drugem mestu s 23,5-odstotnim deležem ponudbe [12].

As shown in Figure 3, in 2019, oil provided 30.9% of the world's primary energy supply, coal 26.8%, and natural gas 23.2% of the world's primary energy supply. Following these are combustible renewable sources and waste (9.4%), nuclear (5.0%), hydropower (2.5%), and wind, geothermal, and solar (2.2%) [12]. China dominated the global markets for concentrating solar thermal power, hydropower, solar PV, and wind power, accounting for nearly half of all installations in 2020 [9]. In developing countries, biomass accounts for more than 20% of total energy supply. In these countries, the majority of biomass is used for cooking and heating [13].

Slika 3: Globalni delež celotne oskrbe z energijo po virih, 2019 [12]

Slika 4: Svetovna skupna končna poraba energije, 1971–2019 [12]

Regionalno je Kitajska s 3,4-odstotnim povečanjem leta 2019 prispevala 90 % neto svetovne rasti povpraševanja po energiji, medtem ko se je povpraševanje po energiji zmanjšalo v skoraj vseh razvitih gospodarstvih. Povpraševanje po energiji v Evropski uniji se je zmanjšalo za 2 %, v ZDA pa za 0,8 %. Medtem ko se je povpraševanje v jugovzhodni Aziji hitro povečalo za 3,4 %, je rast v Indiji padla s 4 % leta 2018 na 0,9 % leta 2019, kar je najnižja raven od leta 2007 [12].

Kljub uporabi največ obnovljive energije (26 %) je elektroenergetika leta 2019 predstavljala le 17 % celotne končne porabe energije. Obnovljivi viri energije še vedno igrajo manjšo vlogo pri industrijskem povpraševanju po energiji, zlasti v panogah, ki zahtevajo visoke temperature obdelave. Obnovljivi viri energije predstavljajo približno 14,8 % celotnega industrijskega povpraševanja po energiji in se uporabljajo predvsem v podjetjih, ki potrebujejo nizkotemperaturno procesno toploto. Obnovljiva električna energija predstavlja 10 % obnovljive industrijske toplote, vendar le 1 % celotne industrijske porabe toplote v letu 2019. Prometni sektor ima še naprej najnižji delež obnovljivih virov energije, pri čemer se srečata nafta in naftni derivati (skupaj z 0,8 % neobnovljive električne energije). skoraj vse svetovne potrebe po energiji v prometu (95,8 %). Le 3,1 % oziroma 0,3 % teh zahtev je bilo izpolnjenih z biogorivi in obnovljivo električno energijo. Energija iz obnovljivih virov pokriva vedno večji delež povpraševanja po končni energiji stavb, vendar še vedno predstavlja manj kot 15 % celotnega povpraševanja po energiji [9].

Energetski sektor je kritičen sektor za dolgoročni razvoj vsake države; vendar imata njegova proizvodnja in poraba okoljske, gospodarske in družbene posledice, kot so podnebne spremembe, onesnaževanje in energetska revščina. Trajnostna energija je opredeljena kot energija, ki jo je mogoče večkrat uporabiti in zadovoljuje naše trenutne energetske potrebe, ne da bi pri tem ogrožala njeno življenje ali se izčrpala [3, 14]. Pri zgorevanju premoga, nafte ali plina v elektrarnah na fosilna goriva nastane toplota v obliki pare, ki poganja ogromne turbine, ki proizvajajo elektriko. Ti stroji neprekinjeno proizvajajo elektriko daljša časovna obdobja. Nasprotno pa izgorevanje fosilnih goriv v ozračje sprošča velike količine toplogrednih plinov in drugih škodljivih plinov ter trdnih snovi, kar povzroča podnebne spremembe, kisli dež ter onesnaženje tal in vode. Uporaba obnovljivih virov energije za proizvodnjo električne energije namesto fosilnih goriv zmanjšuje emisije iz elektroenergetskega sektorja [3, 15]. Nujno je vzpostaviti energetski sistem, ki zadovoljuje gospodarske potrebe in hkrati varuje okolje, saj imajo proizvodnja, pretvorba in uporaba energije velik negativen vpliv na okolje. Globalne emisije CO2, povezane z ravnmi energije, so leta 2019 stagnirale pri približno 33 gigatonah (Gt). Emisije ogljika zaradi porabe energije so se med letoma 2018 in 2019 povečale za 0,5 %, kar je manj kot polovica 10-letne povprečne letne stopnje rasti 1,1 % [12, 16].

Prednosti obnovljivih virov energije za okolje, kot so nižje emisije ogljika in manjše onesnaževanje zraka, so dobro znane. Toda šele v zadnjih desetletjih, ko se je uporaba tehnologij obnovljivih virov energije razširila, so postale jasne njene številne socialno-ekonomske prednosti. Vsako leto se zaradi obnovljivih virov energije po vsem svetu ustvari precejšnje število delovnih mest. V industriji obnovljivih virov energije je bilo po vsem svetu zaposlenih rekordnih 10,3 milijona ljudi. Več kot milijarda ljudi živi na območjih brez dostopa do elektrike, druga milijarda pa je odvisnih od neredne oskrbe. Za 80 % ljudi, ki nimajo dostopa do podeželskih območij ali majhnih otoških držav v razvoju, so rešitve mikro obnovljive električne energije zdaj finančno izvedljive zaradi povečane zanesljivosti, hitro padajočih tehnoloških stroškov in podpornih politik [15].

Energetska učinkovitost

Energetska učinkovitost je razmerje med vloženo in izhodno energijo v smislu zmogljivosti, delovanja, izdelkov ali energije. Pomeni enako količino dela z manj energije. Energetska učinkovitost je običajno izražena kot količina proizvedene energije za določen vhod energije in je izražena kot odstotek med 0 % in 100 %. Od proizvodnje energije do porabe energije obstaja več mest v celotni verigi, kjer je mogoče povečati energetsko učinkovitost [17].

Energetska učinkovitost ima več prednosti, vključno z nižjimi emisijami toplogrednih plinov, manjšim povpraševanjem po uvozu energije ter nižjimi gospodinjskimi in gospodarskimi izdatki. Vsako področje gospodarstva ima velik potencial za izboljšanje učinkovitosti, pa naj gre za zgradbe, transport, industrijo ali proizvodnjo energije. Pobude za energetsko učinkovitost lahko privedejo do ustvarjanja novih delovnih mest v energetskem sektorju in industriji [6, 17].

Svetovna primarna energetska učinkovitost se je povečala za 1,9 % na leto s 5,6 megajoulov na ameriški dolar v letu 2010 na 4,7 v letu 2019. Da bi dosegli cilj energetske učinkovitosti, mora letna stopnja rasti v povprečju znašati 3,2 % na leto do leta 2030 [2].

Viri

1. WEC, World Energy Resources, World Energy Council. 2016.

2. UN. The Sustainable Development Goals Report 2022, United Nations. 2022 13/10/2022]; Available from: https://unstats.un.org/sdgs/.

3. IPCC, Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation, ed. R.P.-M. Ottmar Edenhofer, Youba Sokona, Kristin Seyboth, Patrick Matschoss, Susanne Kadner, Timm Zwickel, Patrick Eickemeier, Gerrit Hansen, Steffen Schloemer, Christoph von Stechow. 2011: Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.

4. Ackerman, C., et al., Primary Energy Infobook, The National Energy Education Development (NEED) Project in 2019.

5. Zohuri, B. and P. McDaniel, Chapter 9 - Energy insight: an energy essential guide, in Introduction to Energy Essentials, B. Zohuri and P. McDaniel, Editors. 2021, Academic Press. p. 321-370.

6. IEA, Energy Technology Perspectives 2020, International Energy Agency. 2020.

7. Iliev, I., et al., Energy Efficiency and Energy Management Handbook. Bulgaria Energy Efficiency for Competitive Industry Financing Facility (BEECIFF): Project Preparation, Capacity Building and Implementation Support, ed. I.K. Iliev. 2012.

8. Rahman, M., J.-H. Kim, and S. Hossain, Recent Advances of Energy Storage Technologies for Grid: A Comprehensive Review. Energy Storage, 2022.

9. REN21, Renewables 2021 Global Status Report, Paris: REN21 Secretariat. 2021.

10. Turkenburg, W., et al., Renewable Energy (Chapter 11), in Global Energy Assessment, J.ü.r. Schmid, Editor. 2012, Cambridge University Press.

11. Panwar, N.L., S.C. Kaushik, and S. Kothari, Role of renewable energy sources in environmental protection: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2011. 15(3): p. 1513-1524.

12. IEA, Key World Energy Statistics, International Energy Agency, Editor. 2021, Energy Information Administration: Paris.

13. IRENA, Hydropower, in Renewable Energy Technologies: Cost Analysis Series. 2022, International Renewable Energy Agency: Germany.

14. Hollaway, L.C., 19 - Sustainable energy production: key material requirements, in Advanced Fibre-Reinforced Polymer (FRP) Composites for Structural Applications, J. Bai, Editor. 2013, Woodhead Publishing. p. 705-736.

15. IRENA. Renewable Energy Benefits, International Renewable Energy Agency. 2022 12/10/2022]; Available from: https://www.irena.org/benefits.

16. BP, BP Statistical Review of World Energy. 2020, British Petroleum: London. p. 1-44.

17. Erbach, G., Briefing 2015, Understanding Energy Efficiency, EPRS | European Parliamentary Research Service. 2015.