إن الاستخدام الفعال للطاقة ، والذي يسمى في بعض الأحيان كفاءة الطاقة ، هو الهدف من تقليل كمية الطاقة المطلوبة لتوفير المنتجات والخدمات. على سبيل المثال ، يسمح عزل المنزل للمبنى باستخدام طاقة أقل للتدفئة والتبريد لتحقيق درجة حرارة مريحة والحفاظ عليها. يعمل تثبيت إضاءة LED أو إضاءة الفلورسنت أو نوافذ كوة طبيعية على تقليل كمية الطاقة المطلوبة لتحقيق نفس مستوى الإضاءة مقارنة باستخدام المصابيح التقليدية المتوهجة. تتحقق التحسينات في كفاءة الطاقة بشكل عام من خلال تبني تقنية أو عملية إنتاج أكثر كفاءة أو بتطبيق طرق مقبولة بشكل عام لتقليل خسائر الطاقة.
هناك العديد من الدوافع لتحسين كفاءة الطاقة. يقلل تقليل استخدام الطاقة من تكاليف الطاقة وقد يؤدي إلى توفير في التكلفة المالية للمستهلكين إذا أدت وفورات الطاقة إلى تعويض أي تكاليف إضافية لتنفيذ تقنية موفرة للطاقة. وينظر أيضا إلى الحد من استخدام الطاقة كحل لمشكلة الحد من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري. ووفقًا لوكالة الطاقة الدولية ، فإن تحسين كفاءة الطاقة في المباني والعمليات الصناعية والنقل قد يقلل من احتياجات العالم من الطاقة في عام 2050 بمقدار الثلث ويساعد في التحكم في الانبعاثات العالمية لغازات الاحتباس الحراري. ويتمثل أحد الحلول المهمة الأخرى في إزالة دعم الطاقة الذي تقوده الحكومة والذي يشجع الاستهلاك المرتفع للطاقة وعدم كفاءة استخدام الطاقة في أكثر من نصف بلدان العالم.
ويقال إن كفاءة الطاقة والطاقة المتجددة هما الركيزتان التوأم لسياسة الطاقة المستدامة وهما من الأولويات العليا في التسلسل الهرمي للطاقة المستدامة. وفي العديد من البلدان ، يُنظر إلى كفاءة استخدام الطاقة على أنها منافع للأمن القومي لأنه يمكن استخدامها لتقليل مستوى واردات الطاقة من البلدان الأجنبية وقد تؤدي إلى تباطؤ معدل استهلاك موارد الطاقة المحلية.
نظرة عامة
أثبتت كفاءة الطاقة أنها استراتيجية فعالة من حيث التكلفة لبناء الاقتصادات دون الحاجة بالضرورة إلى زيادة استهلاك الطاقة. على سبيل المثال ، بدأت ولاية كاليفورنيا تنفيذ تدابير كفاءة الطاقة في منتصف 1970s ، بما في ذلك بناء رمز ومعايير الأجهزة مع متطلبات الكفاءة الصارمة. خلال السنوات التالية ، ظل استهلاك الطاقة في كاليفورنيا ثابتًا تقريبًا على أساس نصيب الفرد ، في حين تضاعف الاستهلاك القومي الأمريكي. كجزء من إستراتيجيتها ، نفذت كاليفورنيا “أمر تحميل” لمصادر الطاقة الجديدة التي تضع كفاءة الطاقة أولاً ، إمدادات الكهرباء المتجددة في المرتبة الثانية ، ومحطات توليد الطاقة الجديدة التي تعمل بالطاقة الأحفورية. وأنشأت دول مثل كونيتيكت ونيويورك بنوك خضراء شبه عامة لمساعدة أصحاب المباني السكنية والتجارية في تمويل ترقيات كفاءة الطاقة التي تقلل الانبعاثات وتخفض تكاليف الطاقة للمستهلكين.
يشير معهد روكي ماونتن التابع لشركة لوفين إلى أنه في المناطق الصناعية “هناك فرص كثيرة لتوفير 70٪ إلى 90٪ من الطاقة وتكلفة أنظمة الإضاءة والمروحة والمضخات ؛ و 50٪ للمحركات الكهربائية ، و 60٪ في مجالات مثل التدفئة والتبريد والمعدات المكتبية والأجهزة “. بشكل عام ، يمكن توفير ما يصل إلى 75٪ من الكهرباء المستخدمة في الولايات المتحدة اليوم باستخدام مقاييس الكفاءة التي تكلف أقل من الكهرباء نفسها ، وينطبق الأمر نفسه على إعدادات المنزل. ذكرت وزارة الطاقة الأمريكية أن هناك احتمالية لتوفير الطاقة في حجم 90 مليار كيلوواط / ساعة من خلال زيادة كفاءة الطاقة المنزلية.
وقد أكدت دراسات أخرى هذا. أكد تقرير نشر في عام 2006 من قبل معهد ماكينزي العالمي ، أن “هناك فرصًا اقتصادية كافية لإجراء تحسينات في إنتاجية الطاقة يمكن أن تبقي نمو الطلب العالمي على الطاقة أقل من 1 بالمائة سنويًا” – دون نصف معدل 2.2 بالمائة يتوقع النمو خلال عام 2020 في سيناريو العمل المعتاد. يمكن إنتاجية الطاقة ، التي تقيس إنتاج وجودة السلع والخدمات لكل وحدة من مدخلات الطاقة ، إما من خلال تقليل كمية الطاقة المطلوبة لإنتاج شيء ما ، أو من زيادة كمية أو جودة السلع والخدمات من نفس الكمية من الطاقة .
إن تقرير فيينا حول تغير المناخ لعام 2007 ، تحت رعاية اتفاقية الأمم المتحدة الإطارية بشأن تغير المناخ (UNFCCC) ، يبين بوضوح أن “كفاءة الطاقة يمكن أن تحقق تخفيضات حقيقية للانبعاثات بتكلفة منخفضة”.
تقدم المعايير الدولية ISO 17743 و ISO 17742 منهجية موثقة لحساب وفورات الطاقة وتوفير الطاقة في البلدان والمدن.
الأجهزة
تستخدم الأجهزة الحديثة ، مثل المجمدات والأفران والمواقد وغسالات الصحون وغسالات الملابس والمجففات ، طاقة أقل بكثير من الأجهزة القديمة. سيؤدي تثبيت خط الغسيل إلى تقليل استهلاك الطاقة بشكل كبير حيث سيتم استخدام المجفف أقل. على سبيل المثال ، تستخدم الثلاجات الحالية الموفرة للطاقة ، على سبيل المثال ، طاقة أقل بنسبة 40 في المائة مقارنة بالطرازات التقليدية في عام 2001. وبعد ذلك ، إذا غيرت جميع الأسر في أوروبا الأجهزة القديمة أكثر من عشر سنوات إلى أجهزة جديدة ، فإن 20 مليار كيلووات ساعة من الكهرباء ستكون توفيرها سنوياً ، وبالتالي تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بما يقرب من 18 مليار كيلوغرام. في الولايات المتحدة ، ستكون الأرقام المقابلة 17 مليار كيلو وات ساعة من الكهرباء و 27،000،000،000 رطل (1.2 × 1010 كجم) CO2. وفقاً لدراسة صدرت عام 2009 من شركة McKinsey & Company ، يعد استبدال الأجهزة القديمة أحد أكثر الإجراءات العالمية فعالية للحد من انبعاثات غازات الدفيئة. كما تعمل أنظمة إدارة الطاقة الحديثة أيضًا على تقليل استخدام الطاقة بواسطة الأجهزة الخاملة عن طريق إيقاف تشغيلها أو وضعها في وضع منخفض الطاقة بعد وقت معين. تقوم العديد من البلدان بتحديد الأجهزة الموفرة للطاقة باستخدام بطاقات إدخال الطاقة.
يعتمد تأثير كفاءة الطاقة على ذروة الطلب على وقت استخدام الجهاز. على سبيل المثال ، يستخدم مكيف الهواء طاقة أكبر خلال فترة ما بعد الظهر عندما يكون ساخناً. لذلك ، فإن مكيف الهواء الموفر للطاقة سيكون له تأثير أكبر على الطلب في أوقات الذروة من الطلب خارج فترة الذروة. من ناحية أخرى ، تستخدم غسالة الصحون الموفرة للطاقة المزيد من الطاقة في وقت متأخر من المساء عندما يقوم الناس بأطباقهم. قد يكون لهذا الجهاز تأثير طفيف أو لا يؤثر على الطلب في أوقات الذروة.
تصميم المبنى
تعتبر المباني مجالًا مهمًا لتحسين كفاءة الطاقة حول العالم بسبب دورها كمستهلك رئيسي للطاقة. ومع ذلك ، فإن مسألة استخدام الطاقة في المباني ليست مباشرة حيث أن الظروف الداخلية التي يمكن تحقيقها باستخدام الطاقة تختلف كثيرًا. التدابير التي تبقي المباني مريحة ، والإضاءة والتدفئة والتبريد والتهوية ، وتستهلك جميع الطاقة. عادة يتم قياس مستوى كفاءة الطاقة في المبنى من خلال تقسيم الطاقة المستهلكة مع المساحة الأرضية للمبنى والتي يشار إليها باسم استهلاك الطاقة المحدد (SEC) أو كثافة استخدام الطاقة (EUI):
{\ displaystyle {\ frac {\ text {Energy consumed}} {\ text {Built area}}}} {\ displaystyle {\ frac {\ text {Energy consumed}} {\ text {Built area}}}}
ومع ذلك ، فإن القضية أكثر تعقيدًا حيث أن مواد البناء جسدت الطاقة فيها. من ناحية أخرى ، يمكن استعادة الطاقة من المواد عندما يتم تفكيك المبنى من خلال إعادة استخدام المواد أو حرقها للحصول على الطاقة. علاوة على ذلك ، عندما يتم استخدام المبنى ، يمكن أن تختلف الظروف الداخلية إلى بيئات داخلية أعلى وأقل جودة. وأخيرًا ، تتأثر الكفاءة العامة باستخدام المبنى: هل يشغل المبنى في معظم الأوقات ويتم استخدام المساحات بكفاءة – أم أن المبنى فارغ إلى حد كبير؟ حتى أنه تم اقتراح أنه من أجل حساب أكثر اكتمالا لكفاءة الطاقة ، ينبغي تعديل SEC لتشمل هذه العوامل:
{\ displaystyle {\ frac {{\ text {Embodied energy}} + {\ text {Energy consumed}} – {\ text {Energy recovered}}} {{\ text {Built area}} \ times {\ text {Utilization rate}} \ times {\ text {Quality factor}}}}} {\ displaystyle {\ frac {{\ text {Embodied energy}} + {\ text {Energy consumed}} – {\ text {Energy recovered}}} {{\ text {Built area}} \ times {\ text {Utilization rate}} \ times {\ text {Quality factor}}}}}
وبالتالي ، ينبغي أن يكون النهج المتوازن لكفاءة الطاقة في المباني أكثر شمولية من مجرد محاولة تقليل الطاقة المستهلكة. وينبغي أن تؤخذ في الاعتبار قضايا مثل جودة البيئة الداخلية وكفاءة استخدام الفضاء. وهكذا يمكن أن تتخذ التدابير المستخدمة لتحسين كفاءة الطاقة أشكالاً مختلفة. غالبًا ما تتضمن إجراءات سلبية تعمل على تقليل الحاجة إلى استخدام الطاقة ، مثل عزل أفضل. العديد منها يخدم وظائف مختلفة لتحسين الظروف الداخلية وكذلك تقليل استخدام الطاقة ، مثل زيادة استخدام الضوء الطبيعي.
يلعب موقع المبنى والمناطق المحيطة به دورًا رئيسيًا في تنظيم درجة الحرارة والإضاءة. على سبيل المثال ، يمكن للأشجار ، والمناظر الطبيعية ، والتلال توفير الظل والرياح. في المناخات الباردة ، تصميم مباني نصف الكرة الشمالي مع نوافذ مواجهة للجنوب ومباني نصف الكرة الأرضية الجنوبية مع نوافذ مواجهة للشمال يزيد من كمية الشمس (الطاقة الحرارية في نهاية المطاف) التي تدخل المبنى ، وتقليل استخدام الطاقة ، عن طريق زيادة التسخين الشمسي السلبي إلى أقصى حد. إن تصميم المبنى الضيق ، بما في ذلك النوافذ الموفرة للطاقة ، والأبواب محكمة الغلق ، والعزل الحراري الإضافي للجدران ، وألواح الطابق السفلي ، والأساسات يمكن أن يقلل من فقدان الحرارة بنسبة تتراوح من 25 إلى 50 بالمائة.
قد تصبح الأسطح الداكنة أكثر حرارة تصل إلى 39 درجة مئوية (70 درجة فهرنهايت) أكثر من الأسطح البيضاء الأكثر انعكاساً. تنقل بعض هذه الحرارة الإضافية داخل المبنى. وقد أظهرت الدراسات الأمريكية أن الأسطح الملونة قليلاً تستهلك طاقة أقل بنسبة 40 في المائة للتبريد من المباني ذات الأسقف المظلمة. توفر أنظمة الأسطح البيضاء المزيد من الطاقة في الأجواء الساطعة. يمكن أن تساهم أنظمة التدفئة والتبريد الإلكترونية المتقدمة في استهلاك الطاقة وتحسين راحة الأشخاص في المبنى.
إن التنسيب الصحيح للنوافذ والمناور بالإضافة إلى استخدام السمات المعمارية التي تعكس الضوء في المبنى يمكن أن يقلل من الحاجة إلى الإضاءة الاصطناعية. وقد أظهرت دراسة واحدة زيادة استخدام الإضاءة الطبيعية والمهمة لزيادة الإنتاجية في المدارس والمكاتب. تستخدم مصابيح الفلورسنت المدمجة طاقة أقل بمقدار الثلث وقد تستغرق من 6 إلى 10 مرات أطول من المصابيح المتوهجة. تنتج مصابيح الفلورسنت الحديثة ضوءًا طبيعيًا ، وفي معظم التطبيقات تكون فعالة من حيث التكلفة ، على الرغم من التكلفة الأولية الأعلى ، مع فترات رد فعل منخفضة حتى بضعة أشهر. تستخدم مصابيح LED فقط حوالي 10٪ من الطاقة التي يتطلبها مصباح وهاج.
ويمكن أن يشمل تصميم المباني الفعال الموفر لاستهلاك الطاقة استخدام أجهزة الحماسة المنفعلة منخفضة التكلفة (PIRs) لإيقاف تشغيل الإضاءة عندما تكون المناطق غير مشغولة مثل المراحيض والممرات أو حتى مناطق المكاتب خارج ساعات العمل. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن مراقبة مستويات اللوكس باستخدام مستشعرات ضوء النهار المرتبطة بنظام إضاءة المبنى للتشغيل / الإيقاف أو خفض الإضاءة إلى مستويات محددة مسبقًا لمراعاة الضوء الطبيعي وبالتالي تقليل الاستهلاك. يربط نظام إدارة المباني (BMS) كل ذلك معًا في كمبيوتر مركزي واحد للتحكم في متطلبات إضاءة ومتطلبات المبنى بالكامل.
في تحليل يدمج محاكاة سكنية من أسفل إلى أعلى مع نموذج اقتصادي متعدد القطاعات ، فقد تبين أن المكاسب المتغيرة للحرارة الناتجة عن كفاءة العزل وتكييف الهواء يمكن أن يكون لها تأثيرات متحركة غير منتظمة على حمل الكهرباء. كما سلطت الدراسة الضوء على تأثير ارتفاع كفاءة الأسرة على خيارات القدرة على توليد الطاقة التي يتم إنتاجها من قبل قطاع الطاقة.
يمكن أن يكون لاختيار تكنولوجيا التدفئة أو التبريد المستخدمة في المباني تأثيرًا كبيرًا على استخدام الطاقة وكفاءتها. على سبيل المثال ، فإن استبدال فرن غاز طبيعي أقدم بنسبة 50٪ بكفاءة جديدة بنسبة 95٪ سيقلل بشكل كبير من استخدام الطاقة وانبعاثات الكربون وفواتير الغاز الطبيعي في فصل الشتاء. يمكن أن تكون المضخات الحرارية الأرضية المصدر أكثر كفاءة في استخدام الطاقة وفعالة من حيث التكلفة. تستخدم هذه الأنظمة المضخات والضاغطات لنقل سائل التبريد حول دورة ديناميكية حرارية من أجل “ضخ” الحرارة ضد تدفقها الطبيعي من الساخن إلى البارد ، لغرض نقل الحرارة إلى مبنى من الخزان الحراري الكبير الموجود داخل الأرض المجاورة. والنتيجة النهائية هي أن المضخات الحرارية تستخدم عادة طاقة كهربائية أقل بأربعة أضعاف لتوصيل كمية مكافئة من الحرارة عن السخان الكهربائي المباشر. ميزة أخرى لمضخة حرارة المصدر الأرضي هي أنه يمكن عكسها في فصل الصيف وتشغيلها لتبريد الهواء عن طريق نقل الحرارة من المبنى إلى الأرض. عيب المضخات الحرارية الأرضية المصدر هو التكلفة الرأسمالية الأولية العالية ، ولكن هذا عادة ما يتم استرداده في غضون خمس إلى عشر سنوات نتيجة لانخفاض استخدام الطاقة.
يتم اعتماد العدادات الذكية ببطء من قبل القطاع التجاري لتسليط الضوء على الموظفين ولأغراض المراقبة الداخلية ، استخدام الطاقة للمبنى في صيغة قابلة للديناميكية. يمكن إدخال استخدام محلل جودة الطاقة في مبنى قائم لتقييم الاستخدام ، والتشويه التوافقي ، والقمم ، والتضخم ، والانقطاع بين الآخرين مما يجعل المبنى أكثر كفاءة في استخدام الطاقة. في كثير من الأحيان مثل هذه العدادات التواصل عن طريق استخدام شبكات الاستشعار اللاسلكية.
يعد XML Building XML (gbXML) مخططًا ناشئًا ، وهو مجموعة فرعية من جهود نمذجة معلومات المباني ، تركز على تصميم المباني الخضراء وتشغيلها. يستخدم gbXML كإدخال في العديد من محركات محاكاة الطاقة. ولكن مع تطور تكنولوجيا الكمبيوتر الحديثة ، يتوفر عدد كبير من أدوات محاكاة أداء المباني في السوق. عند اختيار أداة المحاكاة التي يجب استخدامها في مشروع ما ، يجب على المستخدم مراعاة دقة الأداة وموثوقيتها ، مع مراعاة معلومات المبنى المتوفرة لديها والتي ستستخدم كمدخل للأداة. طور Yezioro و Dong و Leite منهج ذكائي اصطناعي من أجل تقييم نتائج محاكاة أداء المباني ووجدوا أن أدوات المحاكاة الأكثر تفصيلاً لها أفضل أداء محاكاة من حيث تسخين وتبريد استهلاك الكهرباء في 3٪ من متوسط الخطأ المطلق.
الريادة في مجال الطاقة والتصميم البيئي (LEED) هو نظام تقييم ينظمه مجلس المباني الخضراء في الولايات المتحدة (USGBC) لتعزيز المسؤولية البيئية في تصميم المباني. وهي توفر حاليًا أربعة مستويات من الشهادات للمباني القائمة (LEED-EBOM) والبناء الجديد (LEED-NC) بناءً على التزام المبنى بالمعايير التالية: المواقع المستدامة ، كفاءة استخدام المياه ، الطاقة والغلاف الجوي ، المواد والموارد ، جودة البيئة الداخلية والابتكار في التصميم. في عام 2013 ، قام USGBC بتطوير لوحة LEED الديناميكية ، وهي أداة لتتبع أداء المبنى مقابل مقاييس LEED والمسار المحتمل لإعادة التأهل. وفي العام التالي ، تعاون المجلس مع هانيويل لسحب البيانات حول استخدام الطاقة والمياه ، فضلاً عن جودة الهواء الداخلي من BAS لتحديث اللوحة تلقائيًا ، مما يوفر عرضًا تقريبًا للأداء في الوقت الفعلي. مكتب USGBC في واشنطن العاصمة هو واحد من المباني الأولى التي تعرض لوحة LEED الديناميكية الحية.
إن إعادة تأهيل الطاقة العميقة عبارة عن تحليل كامل للبناء وعملية بناء تستخدم لتحقيق وفورات طاقة أكبر بكثير من عمليات إعادة تجهيز الطاقة التقليدية. يمكن تطبيق عمليات تحديث الطاقة العميقة على المباني السكنية وغير السكنية (“التجارية”). عادةً ما ينتج عن إعادة تأهيل الطاقة العميقة توفير في الطاقة بنسبة 30٪ أو أكثر ، وربما يكون قد تم نشره على مدار عدة سنوات ، وقد يحسن بشكل كبير من قيمة المبنى. خضع مبنى إمباير ستيت لعملية تحديثية عميقة في مجال الطاقة استكملت في عام 2013. وسيحقق فريق المشروع المكون من ممثلين من جونسون كونترولز ومعهد روكي ماونتن ومبادرة كلينتون للمناخ وجونز لانغ لاسال تخفيضًا سنويًا في استخدام الطاقة يبلغ 38 ٪ و 4.4 مليون دولار. على سبيل المثال ، تم إعادة تصنيع نوافذ 6،500 في الموقع إلى نوافذ فخمة تحجب الحرارة لكنها تمرر الضوء. تم تخفيض تكاليف التشغيل لتكييف الهواء في الأيام الحارة ، مما أدى إلى توفير 17 مليون دولار من التكلفة الرأسمالية للمشروع على الفور ، وتم تمويل جزء منها بشكل جزئي. حصل مبنى إمباير ستيت على أعلى شهادة معتمدة من LEED في الولايات المتحدة الأمريكية ، حيث حصل على تقييم ذهبي في مجال الطاقة والتصميم البيئي (LEED) في سبتمبر 2011. خضع مبنى مدينة إنديانابوليس-كاونتي مؤخرًا لعملية تحديثية عميقة في مجال الطاقة ، والتي حققت انخفاضًا سنويًا في الطاقة بنسبة 46٪ ووفرًا سنويًا للطاقة مقداره 750 ألف دولار.
يتم دعم عمليات تحديث الطاقة ، بما في ذلك الأنواع العميقة وغيرها من الأنواع التي تتم في المواقع السكنية أو التجارية أو الصناعية ، بشكل عام من خلال أشكال مختلفة من التمويل أو الحوافز. تشمل الحوافز التخفيضات المعبأة مسبقًا حيث قد لا يكون المشتري / المستخدم على علم بأن السلعة المستخدمة قد تم تخفيضها أو “شرائها”. تعتبر عمليات شراء “المنبع” أو “منتصف الاتجاه” أمرًا شائعًا لمنتجات الإضاءة الفعالة. الحسومات الأخرى أكثر وضوحا وشفافية للمستخدم النهائي من خلال استخدام التطبيقات الرسمية. بالإضافة إلى الحسومات ، التي يمكن تقديمها من خلال برامج الحكومة أو المرافق ، تقدم الحكومات أحيانًا حوافز ضريبية لمشاريع كفاءة الطاقة. تقدم بعض الكيانات خدمات إرشادية للخصم والدفع وتسهيلات تمكن عملاء نهاية الاستخدام للطاقة من الاستفادة من برامج الخصم والحوافز.
لتقييم السلامة الاقتصادية لاستثمارات كفاءة الطاقة في المباني ، يمكن استخدام تحليل فعالية التكلفة أو CEA. إن حساب CEA سيخلق قيمة الطاقة التي يتم توفيرها ، والتي تسمى أحيانًا بـ negawatts ، بـ $ / kWh. الطاقة في مثل هذه الحسابات هي افتراضية بمعنى أنها لم تُستهلك أبداً بل تم حفظها بسبب بعض الاستثمارات في كفاءة الطاقة التي يتم تصنيعها. وبالتالي تسمح CEA بمقارنة سعر negawatts مع سعر الطاقة مثل الكهرباء من الشبكة أو أرخص بديل قابل للتجديد. الفائدة من نهج CEA في أنظمة الطاقة هو أنه يتجنب الحاجة إلى تخمين أسعار الطاقة المستقبلية لأغراض الحساب ، وبالتالي إزالة المصدر الرئيسي لعدم اليقين في تقييم استثمارات كفاءة الطاقة.
صناعة
تستخدم الصناعات كمية كبيرة من الطاقة لتشغيل مجموعة متنوعة من عمليات التصنيع واستخراج الموارد. تتطلب العديد من العمليات الصناعية كميات كبيرة من الحرارة والطاقة الميكانيكية ، ويتم تسليم معظمها كغاز طبيعي ووقود بترول وكهرباء. بالإضافة إلى ذلك ، تقوم بعض الصناعات بتوليد الوقود من منتجات النفايات التي يمكن استخدامها لتوفير طاقة إضافية.
ولأن العمليات الصناعية متنوعة للغاية ، فمن المستحيل وصف كثرة الفرص المحتملة لكفاءة الطاقة في الصناعة. يعتمد الكثير على التقنيات والعمليات المحددة المستخدمة في كل منشأة صناعية. هناك ، مع ذلك ، عدد من العمليات وخدمات الطاقة التي تستخدم على نطاق واسع في العديد من الصناعات.
صناعات مختلفة تولد البخار والكهرباء لاستخدامها لاحقا داخل منشآتها. عندما يتم توليد الكهرباء ، يمكن التقاط الحرارة التي يتم إنتاجها كمنتج ثانوي واستخدامها في عملية البخار أو التدفئة أو أغراض صناعية أخرى. إن توليد الكهرباء التقليدي يكاد يكون فعالاً بنسبة 30٪ ، في حين أن الحرارة والقدرة المشتركين (يطلق عليه أيضًا الجيل المشترك) يحولان ما يصل إلى 90٪ من الوقود إلى طاقة قابلة للاستخدام.
يمكن أن تعمل الغلايات المتقدمة والأفران في درجات حرارة أعلى مع حرق كمية أقل من الوقود. هذه التقنيات أكثر كفاءة وتنتج ملوثات أقل.
يتم حرق أكثر من 45 في المائة من الوقود المستخدم من قبل الشركات المصنعة الأمريكية لصنع البخار. يمكن للمنشأة الصناعية النموذجية الحد من استخدام الطاقة هذا بنسبة 20٪ (وفقًا لوزارة الطاقة الأمريكية) عن طريق عزل خطوط البخار والمكثفات العائدة ، ووقف تسرب البخار ، والحفاظ على مصائد البخار.
عادةً ما تعمل المحركات الكهربائية بسرعة ثابتة ، ولكن محرك الأقراص المتغير يسمح لمخرجات الطاقة للمحرك بمطابقة الحمولة المطلوبة. هذا يحقق وفورات في الطاقة تتراوح بين 3 إلى 60 في المئة ، اعتمادا على كيفية استخدام المحرك. يمكن لفائف المحركات المصنوعة من مواد فائقة التوصيل أن تقلل أيضًا من فقد الطاقة. قد تستفيد المحركات أيضًا من تحسين الجهد.
تستخدم الصناعة عددًا كبيرًا من المضخات والضواغط من جميع الأشكال والأحجام وفي مجموعة متنوعة من التطبيقات. تعتمد كفاءة المضخات والضواغط على العديد من العوامل ، ولكن في كثير من الأحيان يمكن إجراء تحسينات من خلال تنفيذ مراقبة عملية أفضل وممارسات صيانة أفضل. يتم استخدام الضاغطات بشكل شائع لتوفير هواء مضغوط يستخدم في إزالة الرمل والرسم وأدوات الطاقة الأخرى. ووفقًا لوزارة الطاقة الأمريكية ، فإن تحسين أنظمة الهواء المضغوط عن طريق تثبيت محركات متغيرة السرعة ، إلى جانب الصيانة الوقائية لاكتشاف تسرب الهواء وإصلاحه ، يمكن أن يحسن كفاءة الطاقة بنسبة 20 إلى 50 بالمائة.
وسائل النقل
سيارات
تقدر كفاءة استخدام الطاقة في السيارات بـ 280 راكب مايل / 106 وحدة حرارية بريطانية. هناك عدة طرق لتحسين كفاءة استخدام الطاقة في المركبة. استخدام الديناميكا الهوائية المحسنة لتقليل السحب يمكن أن يزيد من كفاءة وقود المركبات. إن تخفيض وزن السيارة يمكن أن يحسن من استهلاك الوقود ، وهذا هو السبب في أن المواد المركبة تستخدم على نطاق واسع في أجسام السيارات.
يمكن أن توفر الإطارات الأكثر تقدمًا ، مع تقليل الإطارات إلى احتكاك الطرق ومقاومة الدوران ، البنزين. يمكن تحسين الاقتصاد في استهلاك الوقود بنسبة تصل إلى 3.3 ٪ عن طريق الحفاظ على الإطارات المتضخمة إلى الضغط الصحيح. يمكن استبدال مرشح الهواء المسد بتحسين استهلاك وقود السيارات بنسبة تصل إلى 10 بالمائة على المركبات القديمة. في المركبات الأحدث (الثمانينيات وما فوق) التي تحتوي على محركات محقونة بالوقود محسوبة بالكمبيوتر ، لا يؤثر فلتر الهواء المسدود على mpg ولكن استبداله قد يحسن التسارع بنسبة 6-11٪.
يمكن للشاحن التوربيني زيادة كفاءة الوقود من خلال السماح بمحرك أصغر للإزاحة. إن “محرك السنة 2011” هو محرك Fiat 500 مجهز بشاحن توربيني MHI. “بالمقارنة مع محرك سعة 8 لتر سعة 8 لتر ، فإن محرك توربيني 85 حصان جديد يحتوي على قوة أكبر بنسبة 23٪ ومؤشر أداء أفضل بنسبة 30٪. أداء المحرك ثنائي الأسطوانات لا يساوي محرك 1.4 لتر 16 فولت فقط ، ولكن استهلاك الوقود أقل بنسبة 30٪ “.
قد تصل السيارات الموفرة للطاقة إلى ضعف كفاءة استهلاك الوقود في السيارة العادية. وقد حققت التصميمات المتطورة ، مثل سيارة مرسيدس-بنز بيونيك التي تعمل بالديزل ، كفاءة في استهلاك الوقود تصل إلى 84 ميلاً لكل جالون أمريكي (2.8 لتر / 100 كلم ، 101 ميلا في الغالون) ، أي أربعة أضعاف متوسط السيارات التقليدية الحالية.
الاتجاه السائد في كفاءة السيارات هو ارتفاع السيارات الكهربائية (جميع @ الكهربائية أو الكهربائية الهجينة). تستخدم السيارات الهجينة ، مثل تويوتا بريوس ، الكبح المتجدد لاستعادة الطاقة التي يمكن أن تتبدد في السيارات العادية. التأثير واضح بشكل خاص في قيادة المدينة. كما أدت الهجينة التي تعمل بالكهرباء الإضافية إلى زيادة سعة البطارية ، مما يجعل من الممكن القيادة لمسافة محدودة دون حرق أي بنزين. في هذه الحالة ، فإن كفاءة الطاقة تمليها أي عملية (مثل حرق الفحم ، أو توليد الطاقة الكهرومائية ، أو مصدر الطاقة المتجددة). يمكن أن تصل المكونات الإضافية إلى حوالي 40 ميلاً (64 كم) فقط دون الحاجة إلى إعادة الشحن. إذا كانت البطارية منخفضة ، فإن محرك الغاز يعمل على السماح بالنطاق الممتد. أخيراً ، تزداد شعبية السيارات الكهربائية بالكامل. سيارة Tesla Model S سيدان هي السيارة الكهربائية العالية الأداء الوحيدة حاليًا في السوق.
إضاءة الشوارع
المدن في جميع أنحاء العالم تضيء ملايين من الشوارع مع 300 مليون مصباح. وتسعى بعض المدن إلى تقليل استهلاك الطاقة في ضوء الشارع عن طريق تقليل الإضاءة أثناء ساعات الذروة أو التبديل إلى مصابيح LED. ليس من الواضح ما إذا كانت كفاءة الإضاءة العالية لمصابيح LED ستؤدي إلى تخفيضات حقيقية في الطاقة ، حيث قد تنتهي المدن بتثبيت مصابيح إضافية أو مناطق إضاءة بشكل أكثر براعة مما كانت عليه في الماضي.
الطائرات
هناك عدة طرق للحد من استخدام الطاقة في النقل الجوي ، من التعديلات إلى الطائرات نفسها ، إلى كيفية إدارة حركة الطيران. كما هو الحال في السيارات ، يعتبر شاحن الهواء التوربيني وسيلة فعالة لتقليل استهلاك الطاقة. ومع ذلك ، بدلاً من السماح باستخدام محرك أصغر الإزاحة ، تعمل الشاحن التوربيني في التوربينات النفاثة عن طريق ضغط الهواء الرقيق على ارتفاعات أعلى. وهذا يسمح للمحرك بالعمل كما لو كان في مستوى ضغوط مستوى البحر مع الاستفادة من السحب المنخفض على الطائرة على ارتفاعات أعلى.
أنظمة إدارة الحركة الجوية هي طريقة أخرى لزيادة كفاءة ليس فقط الطائرات ولكن صناعة الطيران ككل. تسمح التكنولوجيا الجديدة بأتمتة عمليات الإقلاع والهبوط وتجنب الاصطدام ، وكذلك داخل المطارات ، من أشياء بسيطة مثل HVAC والإضاءة إلى مهام أكثر تعقيدًا مثل الأمان والمسح الضوئي.
الوقود البديل
الوقود البديل ، المعروف بالوقود غير التقليدي أو الوقود المتقدم ، هو أي مواد أو مواد يمكن استخدامها كوقود ، غير الوقود التقليدي. وتشمل بعض أنواع الوقود البديلة المعروفة وقود الديزل الحيوي والكحول الحيوي (الميثانول والإيثانول والبيوتانول) والكهرباء المخزنة كيميائياً (البطاريات وخلايا الوقود) والهيدروجين والميثان غير الأحفوري والغاز الطبيعي غير الأحفوري والزيوت النباتية ومصادر الكتلة الحيوية الأخرى.
الحفاظ على الطاقة
إن الحفاظ على الطاقة أوسع من كفاءة الطاقة بما في ذلك الجهود النشطة لتقليل استهلاك الطاقة ، على سبيل المثال من خلال تغيير السلوك ، بالإضافة إلى استخدام الطاقة بشكل أكثر كفاءة. إن أمثلة الحفظ بدون تحسينات الكفاءة تعمل على تسخين غرفة أقل في الشتاء ، أو استخدام السيارة بشكل أقل ، أو تجفيف ملابسك بدلاً من استخدام المجفف ، أو تمكين وضع توفير الطاقة على جهاز الكمبيوتر. وكما هو الحال في التعريفات الأخرى ، يمكن أن تكون الحدود بين الاستخدام الكفء للطاقة والحفاظ على الطاقة غير واضحة ، ولكن كلاهما مهم من الناحية البيئية والاقتصادية. هذا هو الحال خاصة عندما يتم توجيه الإجراءات في إنقاذ الوقود الأحفوري. يمثل الحفاظ على الطاقة تحديًا يتطلب برامج السياسة والتطوير التكنولوجي وتغيير السلوك. تعمل العديد من منظمات الوساطة في مجال الطاقة ، على سبيل المثال المنظمات الحكومية أو غير الحكومية على المستوى المحلي أو الإقليمي أو الوطني ، على برامج أو مشاريع تمولها الدولة غالباً لمواجهة هذا التحدي. وقد شارك علماء النفس أيضًا في مسألة الحفاظ على الطاقة وقدموا إرشادات لتحقيق التغيير السلوكي لتقليل استهلاك الطاقة مع أخذ الاعتبارات التكنولوجية والسياسات في الاعتبار.
يحتفظ المختبر الوطني للطاقة المتجددة بقائمة شاملة من التطبيقات المفيدة لكفاءة الطاقة.
عادةً ما يستخدم مديرو العقارات التجارية الذين يخططون ويديرون مشاريع كفاءة الطاقة منصة برمجيات لأداء عمليات تدقيق للطاقة وللتعاون مع المقاولين لفهم مجموعة الخيارات الكاملة الخاصة بهم. يصف دليل برامج وزارة الطاقة (DOE) برنامج EnergyActio ، وهو نظام أساسي قائم على السحابة مصمم لهذا الغرض.
الطاقة المستدامة
اعتبارات السياسة في الاعتبار.
يحتفظ المختبر الوطني للطاقة المتجددة بقائمة شاملة من التطبيقات المفيدة لكفاءة الطاقة.
عادةً ما يستخدم مديرو العقارات التجارية الذين يخططون ويديرون مشاريع كفاءة الطاقة منصة برمجيات لأداء عمليات تدقيق للطاقة وللتعاون مع المقاولين لفهم مجموعة الخيارات الكاملة الخاصة بهم. يصف دليل برامج وزارة الطاقة (DOE) برنامج EnergyActio ، وهو نظام أساسي قائم على السحابة مصمم لهذا الغرض.
الطاقة المستدامة
المقال الرئيسي: الطاقة المستدامة
يقال إن كفاءة الطاقة والطاقة المتجددة هما “الدعائم الثنائية” لسياسة الطاقة المستدامة. يجب تطوير كلا الاستراتيجيتين في وقت واحد من أجل تحقيق الاستقرار والحد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. يعد استخدام الطاقة بكفاءة أمرًا ضروريًا لإبطاء نمو الطلب على الطاقة بحيث يمكن أن يؤدي ارتفاع إمدادات الطاقة النظيفة إلى إجراء تخفيضات كبيرة في استخدام الوقود الأحفوري. إذا كان استخدام الطاقة ينمو بسرعة كبيرة ، فإن تنمية الطاقة المتجددة سوف تطارد الهدف المتراجع. وعلى نحو مماثل ، ما لم تتوافر إمدادات الطاقة النظيفة بسرعة على الإنترنت ، فإن تباطؤ نمو الطلب سيبدأ فقط في خفض إجمالي انبعاثات الكربون ؛ هناك حاجة أيضا إلى انخفاض في محتوى الكربون من مصادر الطاقة. وبالتالي ، يتطلب اقتصاد الطاقة المستدامة التزامات رئيسية بكل من الكفاءة والمتجددة.
بدأت شركات مثل Lieef بالإبلاغ عن مقاييس ESG نيابة عن الشركات ، وصناديق الاستثمار ، في محاولة لزيادة الشفافية في المساحة التي ازدادت أهميتها حتى الآن ، ولكنها لم تجد أداة قياس موحدة. وبالإضافة إلى ذلك ، فإن غالبية الشركات التي تبلغ عن الاستدامة تقوم بذلك على أساس “صافي” ، ولا تعكس انبعاثاتها الكربونية ، وتفصل تلك الانبعاثات عن أنشطتها التي تعوض هذه الانبعاثات ، مثل شراء أرصدة متجددة وقوة خضراء.
تأثير انتعاش
إذا ظل الطلب على خدمات الطاقة ثابتًا ، فإن تحسين كفاءة الطاقة سيقلل من استهلاك الطاقة وانبعاثات الكربون. ومع ذلك ، فإن العديد من تحسينات الكفاءة لا تقلل من استهلاك الطاقة بالمقدار الذي تتنبأ به النماذج الهندسية البسيطة. هذا لأنهم يجعلون خدمات الطاقة أرخص ، وبالتالي يزداد استهلاك تلك الخدمات. على سبيل المثال ، بما أن المركبات التي تعمل بفعالية في استهلاك الوقود تجعل السفر أرخص ، قد يختار المستهلكون القيادة أبعد ، وبالتالي تعويض بعض وفورات الطاقة المحتملة. وبالمثل ، أظهر تحليل تاريخي مكثف للتحسينات في الكفاءة التكنولوجية بشكل قاطع أن التحسينات في كفاءة استخدام الطاقة كانت في الغالب متجاوزة النمو الاقتصادي ، مما أدى إلى زيادة صافية في استخدام الموارد والتلوث المرتبط بها. هذه أمثلة على تأثير الارتداد المباشر.
تتراوح تقديرات حجم تأثير الارتداد من حوالي 5٪ إلى 40٪. من المحتمل أن يكون تأثير الارتداد أقل من 30٪ على مستوى الأسرة وقد يكون أقرب إلى 10٪ للنقل. يشير تأثير الارتداد بنسبة 30٪ إلى أن التحسينات في كفاءة الطاقة يجب أن تحقق 70٪ من الانخفاض في استهلاك الطاقة المتوقع باستخدام النماذج الهندسية. قد يكون تأثير الارتداد كبيرًا بشكل خاص للإضاءة ، لأنه على النقيض من مهام مثل النقل ، لا يوجد حد أقصى فعليًا للحدود التي يمكن اعتبارها مفيدة. في الواقع ، يبدو أن الإضاءة شكلت حوالي 0.7 ٪ من الناتج المحلي الإجمالي في العديد من المجتمعات ومئات السنين ، مما يدل على تأثير الارتداد بنسبة 100 ٪.