Afl og orka

Við notum orku í allar okkar athafnir. Orka sem er aðgengileg til notkunar er takmörkuð og orkan kostar peninga og þess vegna er mikilvægt að við skiljum hvernig orkan er búin til, hvernig henni er dreift og hvernig hún er notuð. Í þessari grein er fyrst og fremst fjallað um raforku og varmaorku.

Samlíking fyrir afl og orku

Fyrst er ágætt að skýra tvö hugtök sem gjarnan er ruglað saman.

• Afl (e. power) er oft uppgefið í kílóvöttum (kW) og segir til um hversu hratt orka er notuð. Það má líkja þessu við vatnsrennsli, þ.e. hversu mikið vatn rennur á hverjum tíma.
• Orka (e. energy) er oft uppgefið í kílóvattstundum (kWh) og er uppsöfnuð aflnotkun yfir tíma. Þessu má líkja við vatnssöfnun, þ.e. hversu mikið vatn safnast í fötu.

Dæmi:

• Ef maður notar 1 kW afl í tvær klukkustundir hefur maður notað 2 kWh af orku.
  • Samlíking vatnsnotkun: Ef maður sprautar 1 l/s í 10 sekúndur hefur maður safnað 10 lítrum.
• Ef maður notar 10 kWh af orku á tveimur klukkustundum hefur maður að jafnaði notað 5 kW afl á þessu tímabili.
  • Samlíking vatnsnotkun: Ef maður fyllir 10 lítra fötu á 20 sekúndum hefur maður að jafnaði sprautað 0,5 l/s.

Stundum er sagt frá því að verksmiðja þurfi 10 MW á ári eða að verksmiðja þurfi 100 MWh til rekstrar. Þetta er í besta falli ónákvæmt en bendir oft til misskilnings um hvað afl og orka er. Réttara væri að segja að verksmiðja þurfi 10 MW afl til síns rekstrar og þá er átt við það afl sem þarf á hverju augnabliki til að knýja búnað verksmiðjunnar. Einnig væri hægt að segja að verksmiðja noti 5000 MWh á ári og þá er verið að lýsa því hveru mikla orku þarf til að knýja verksmiðjuna í heilt ár.

Raforka er notuð til að knýja vélar og tæki (t.d. ljós, rafmagnsmótorar og önnur raftæki) og varmaorka er notuð til að hita hluti (ofnar, sundlaugar, neysluvatn o.s.frv.). Orkan er framleidd í orkuverum og henni er dreift í veitukerfum.

Orkuver

Orka er framleidd í orkuverum/virkjunum. Raforka er á Íslandi að mestu framleidd með rafölum sem knúnir eru vatnsafli og jarðvarma. Varmaorka á Íslandi er að mestu framleidd með varmaskiptum sem hitaðir eru með jarðhita. Í þessum virkjunum er sem sagt búnaður sem umbreytir orku frá náttúrunni í nýtanlega orku fyrir okkur. Þessi umbreytibúnaður (rafalar og varmaskiptar) hefur sín takmörk og getur ekki skilað af sér meiri orku en hann var hannaður fyrir.

Hellisheiðarvirkjun er áhugavert dæmi um orkuver þar sem varmi úr jörðinni er notaður til að framleiða bæði rafmagn og heitt vatn. Orkuverið skilar 300 MW af rafafli og 200 MW af varmaafli.

Vatnsaflsvirkjun

Veitukerfi

Orka er flutt með lögnum frá orkuverum til notenda. Varmaorka er flutt í hitaveiturörum og raforka er flutt í rafmagnsstrengjum. Stofnlagnir frá orkuverum eru sverar lagnir sem greinast svo upp í grennri lagnir eins og æðakerfi. Þessar lagnir eru af ákveðinni stærð og eru hannaðar til að þjóna því svæði sem þær liggja til. Eftir því sem lagnirnar eru grennri þeim mun minna afl geta þær borið. Þannig er ekki sjálfgefið að hvaða notandi sem er geti aukið aflið til sín án þess að breytingar séu gerðar á veitukerfinu.

Heitavatnsframleiðsla

Orkunotkun

Þar sem bæði orkuver og veitukerfi hafa takmarkaða afkastagetu er mikilvægt að notendur takmarki sína orkunotkun þannig að orkuver og veitukerfi geti þjónað öllum sem á þurfa að halda.

Þegar við hlöðum rafmagnsbílana okkar, eldum mat og notum þurrkara notum við umtalsverða raforku. Ef við notum raforkuna gagnrýnislaust þá er hætta á því að raforkukerfið ráði ekki við eftirspurnina. Þess vegna er skynsamlegt að nota raforkuna þegar hennar er raunverulega þörf og reynum að dreifa orkunotkuninni yfir lengra tímabil og gjarnan að nota orkuna utan álagstíma. Þannig er t.d. auðvelt að hlaða rafbílinn og þurrka þvottinn á nóttunni þegar önnur notkun er minniháttar.

Þegar við hitum húsin okkar eða förum í sturtu þá notum við varmaorku. Ef við viljum hafa húsin okkar heit og alltaf njóta langra sturtuferða þá getur komið að því að hitaveitan ráði ekki við eftirspurnina. Til að ráða bót á þessu ættum við að finna skynsamlegt hitastig fyrir húsin okkar og ekki alltaf taka hálftíma sturtur.

Dæmi um orkunotkun heimila

1. Raforkunotkun á meðalstóru heimili á einu ári er 3.600 til 4.200 kWh (10-12 kWh á dag). Miðað við núverandi heimilistaxta 15 kr á hverja kWh kostar ársnotkunin því 54.000 - 63.000 kr.
2. Eyðsla rafbíla er 15-20 kWh á hverja 100 km sem eknir eru. Fyrir 12.000 km akstur á ári er notkunin 1.800 - 2.400 kWh og kostnaðurinn því 27.000 - 36.000 kr., miðað við heimahleðslu.

Að þessu sögðu er sjálfsagt að benda á að heimili eru ekki stærstu orkunotendurnir og eru aðrir notendur s.s. stóriðja, stórar byggingar og sundlaugar miklu fyrirferðarmeiri.

Orkumæling

Orka er mæld með orkumælum. Dæmið hér til hliðar sýnir orkumæli í hitakerfi. Orkumælirinn er tengdur inn á hitaveitulögn að varmaskipti og með því að mæla rennsli, hitastig í túr og hitastig í retúr reiknar orkumælirinn út aflið (kW) sem notað er á hitaveitunni. Orkumælirinn hefur innbyggt reikniverk og heldur líka utan um heildarnotkun orku (kWh) og fleiri breytur. Allar þessar breytur frá orkumælinum er hægt að lesa inn í stýrikerfi og gefur þannig notendum kerfisins rauntímamynd af afli og orku í viðkomandi kerfi. Orkumælar af þessu tagi hafa lítið verið notaðir á Íslandi undanfarna áratugi en með meiri orkuvitund eru orkumælar farnir að sjást í sífellt meira mæli.

Orkumæla er hægt að nota á bæði hita- og kælikerfum og einnig er hægt að setja upp orkumæla á rafmagnskerfum. Verkkaupi getur gert kröfu um upplausn í orkumælingum, sumir hafa bara áhuga á heildarnotkun sinni en skynsamlegt getur verið að setja upp fleiri mæla þannig að hægt sé að greina betur hvert orkan er að fara og hvaða kerfi er að nota orkuna.

Orkusparnaður

Í stórum byggingum eru oftast loftræsi- og hitakerfi sem nota bæði raforku og varmaorku. Mikilvægt er að fylgjast með orkunotkun kerfa sem eru í rekstri. Með nútímatækni er hægt að lesa orkunotkun með allgóðri upplausn (uppfærðar tölur oft á dag) og á þann hátt hægt að finna út hvaða kerfi er að nota mesta orku. Út frá þessu er mögulegt að gera áætlun til að draga úr orkunotkun og lækka afltoppa. Fyrst er mikilvægt að átta sig á því hversu mikla orku byggingin notar (búa til lykiltölu um kWh/m²/ár) og setja markmið um hversu mikið orkunotkunin á að lækka. Hægt er að draga úr orkunotkun kerfa á ýmsan hátt t.d.

• Einangra húsin betur og skipta í betur einangrandi glugga
• Skipta út glóðarperum í lömpum og setja inn LED-lýsingu í staðinn
• Keyra loftræsikerfin aðeins þegar þeirra er þörf (t.d. á dagtíma)
• Endurvinna varma úr útsogslofti í loftræsisamstæðum. Sjá nánar í grein um loftræsisamstæður.
• Stýra loftræsikerfum eftir notkunarálagi (sjá grein um flæðilokur)
• Lækka hita í hringrásarkerfum þegar hitnar í veðri
• Lækka hita í hringrásarkerfum utan rekstrartíma (nætur/helgar)

Hægt er að sjálfvirknivæða ýmsa þætti orkusparnaðar og spara þannig tæknimönnum umtalsverðan tíma og um leið tryggja að orkunotkunin gleymist ekki.

Önnur ráð má nefna til þess að minnka notkun á orku frá veitukerfum t.d.

• Setja upp varmadælu og sækja eigin varmaorku úr umhverfinu (útilofti eða lághitavatni úr jörðinni)
• Framleiða eigið rafmagn með sólarorkuveri

Ítarefni

Víða er hægt að finna meiri upplýsingar um afl og orku, t.d. hér:

• Vísindavefurinn: Hvað getur Hellisheiðarvirkjun framleitt raforku fyrir marga rafbíla á ári?
• Orka náttúrunnar: Jarðhitinn - fyrir okkur öll
• Samorka: Hugtök og skilgreiningar
• Vísindavefurinn: Hvaðan kemur orkan sem býr í vatninu? Þeirri sem er breytt í raforku?
• Vísindavefurinn: Hvað er sjálfbær orkunýting?
• Orkustofnun: Orkunotkun sundlauga