Eko- eksergija

O suši koja nas pogađa pisao sam prošlih godina, gdje sam naveo potrebu  gradnji  cisterni i sakupljanju kišnice. Pretpostavimo  kako je uzrok  suši ogromna potrošnja energije , zato evo nekih  „teoretskih“ orijentira  koji možda mogu promijeniti naše nazore i  ponašanje.

Jeremy Rifkin je napisao knjigu osamdeseti godina prošlog  stoljeća s naslovom ENTROPIJA koja je bila  prevedena na hrvatski jezik  pod  naslovom: POSUSTAJANJE  BUDUČNOSTI, (Naprijed 1986. Zagreb). Autor  upućuje čitaoca o potrebi promjene mehanicističkog svjetonazora (paradigme) u novi nazor  koji se temelji na energetsko-entropijskoj prekretnici.  

Rifkin tvrdi: mehanicistički  pogled na svijet-svjetonazor matematike, znanosti,  tehnologije, materijalizma  prisvaja pravo da objašnjava svijet u kojem živimo- počinje gubiti svoju vitalnost, jer se energetska podloga na kojoj je niknuo bliži svojoj smrti. Energija predstavlja osnovu čitave ekonomije. U razdoblju od 400 godina, tvorci temelja sadašnjeg nazora su velikani znanosti Descartes,  Newton i Locke  koji se ogleda u pojavi što više gomilamo materijalna dobra, to će svijet postajati uređeniji. John Locke ( 1632-1704) (kojeg je cijenio Thomas  Jefferson kod pisanju ustava USA tzv Deklaracije), napisao je kako su ljudi po prirodi  željni stjecanja, zato je potrebno stalno povećavati imetak  pa će neprestano rasti i društveni sklad. Ali s druge strane,  postoji filozofske misli od Aristotela do  Tome Akvinskog, kako iznad određene točke imetak postaje prepreka  u postizavanju sreće.

 Ekonomske aktivnosti,  bilo prema kapitalističkoj ili socijalističkoj  teoriji, valja sučeliti s prvim i drugim zakonom termodinamike. Prvi zakon kaže da je količina energija i materije  stalna i da se ne mogu stvoriti niti uništi , nego  se samo pretvaraju jedno  u drugo. Drugi zakon kaže, kako se ta pretvorba odvija samo u jednom smjeru i to od korisne u nekorisnu materiju i  energiju. Pojednostavljeno, prvim zakonom se dokazuje kako se mlijeka dobije onoliko, koliko ima trave na livadi, a ne koliko ima krava na paši, dok se drugim zakonom  tvrdi, kako ne treba plakati za prolivenim mlijekom.

Gubici jednosmjerne pretvorbe od korisne do nekorisne forme  energije  i materije mjere se fizikalnom veličinom naziva entropija. U termodinamici  ona je definirana omjerom topline i temperature  s znakom jedinice [J/K].  Toplina od 100  J (joul, džul jedinica rada energije i topline) dobivena izgaranjem goriva kod termodinamske temperature 1000 K stvara entropiju  100/1000= 0,10 [J/K]. Ista toplina od 100 J  potroši se za grijanje prostora od 300 K  što uvjetuje  povećanje entropije 100/300=0,33 [J/K]. To povećanje entropije,  očituje se kao   neiskorištena toplina  koja zagrijava zrak, tlo i vodu i velika je vjerojatnost uzroka  poremećaju klime. Slično toku  topline , sve tvari (materija) na kraju protoka ekonomskih  aktivnosti (proizvodnja –potrošnja)  završavaju na smetištu ili otpadu ili neredu.  Kada ekonomisti kažu stvorili smo novu vrijednost, moraju odmah reći, koliki su ostavili nereda u okolišu korištenjem energije i različitih materijala.  Entropija  se kao veličina i koncept proučava  u mnogi znanstvenim disciplinama. Ona je važna  u teoriji informacija i matematici, sociologiji, računarstvu, ekonomiji i medicini. Pa čak i u teologiji rješava se  problem entropološkog dokaza za opstojnost Božju.

Podsjetimo se tu  fizike!  Pojam energije  se objašnjava: tijelo mase (m) podignuto na visinu (h) ima potencijalnu energiju E_p= mgh gdje je g= 9,81[ m/s²] zemljina gravitacija. Pusti li se to  tijelo da  padne na tlo dolazi do pretvorbe u kinetičku energiju E_k=1/2 mv²  gdje je v= brzina padanja prouzročena ubrzanjem sile zemljine gravitacije. Ovo je osnovni račun za mlinsko kolo i turbine hidrocentrale. Uz ovu mehaničku  postoje energije: kemijska, nuklearna, toplinska, električna i  sunčeva. Sve  energije mogu se uz određene  gubitke, pretvarati jedna u drugu, što čini i srž  sadašnje industrijske civilizacije. Te energetske pretvorbe  uzrokuju povećanje entropije.

 U doba mojeg djede,  energija se nije direktno poznavala kao fizikalna veličina, ali se dobro razlikovala  snaga čovjeka i  konja  i znalo se koliko  rada i vremena  treba  za obraditi jedno jutro  zemlje. Indirektno moji preci  su  poznavali  energiju kroz  jednadžbu; snaga=energija, rad)/vrijeme. Znalo se, kako jedan konj ima snagu kao šest ljudi. Tada se snaga  mjerila s jedinicom „konjska snaga“ KS  koja je u današnjem  SI- sustavu mjera i jedinca  jednaka snazi od 735 ,5 W.(vat).U to vrijeme obično se smatralo da je čovjek bogat ako može platiti  50 kopača u vinogradu ili ako ima dva ili više  para volova ili konja. Djed i otac su imali par volova. Ako se nekome seljaku išlo volovima ili konjima  orati jedan dan, onda je taj seljak morao za uzvrat dati deset težaka kroz čitavu godinu.

Ako se pak današnji život  sa mnogo strojeva  želi usporediti  sa  životom mojeg djede,  onda je to najlakše preko  potrošene energije. Svaki stanovnik RH troši godišnje kroz sve strojeve i tehnologije postojeće tehnosfera 23072 [kWh] primarne energije[i] što mu daje snagu od 2600 [W] a ne 100 W koliko mu je snaga tijela.  Energije se troši u razvijenim  zemljama na transport 32 % , na industriju 34% ostalo otpada na stanovanje i hranu.   Stanovnik razvijenih zemalja u usporedbi s nama u RH  ima snagu od 4 do 10 kW.[ii]

Kako usporediti potrošnju energije onda i danas? Radi lakšeg računa, uzmimo kako svaki  stanovnik ima snagu  jedne šestine KS,konjske snage  što preračunato na sadašnju važeću jedinicu iznosi  735,5/6=122,6 [W]. Ako čovjek  dnevno radi  10 sati, i  7 dana u  tjednu te 52 tjedna u godini, onda će on  kroz svoju živu silu mišica  „proizvesti“ radnju ili energiju od  7 x 10 x 52 x 0,122,6=446,3 [kWh] Iz omjera današnje potrošnje energije  kroz strojeve    i energije mišića  mojeg djede dobije se  brojčani iznos od 23072/446,3=51,7 Taj brojčani iznos jest  približno  52 kopača, kosca sluga ili roba. To su imaginarni kopači ili robovi koje koji rade  za svakog od nas. Mi smo  zapravo  bogati, u odnosu na  naše pretke , jer  imamo 52-e slugu, koji dnevno  rade po deset sati, s različitim  strojevima napravama i provoznim sredstvima. Danas se  smatra kako se postigao veliki napredak,  jer primjerice  u USA jedan  poljodjelac sa  silnom agro-tehnikom hrani 50 i više ljudi u gradovima.  Ovakav napredak koji stvara veliko bogatstvo,   ima svoju drugu stranu medalje izraženo kroz  ogromno onečišćenja/zagađenje okoliša te mineralizacijom tla od umjetnih gnojiva.

Svugdje oko  nas je   prisutna energija koja se dijeli prema  uporabljivosti na anergiju i eksergiju. Anergija se ne može pretvoriti u rad, dok se eksergija[iii] može pretvoriti u rad. Eksergija sustava u određenom okolišu je količina mehaničkog  rada koji se  može maksimalno dobiti iz sustava. Ako se u vodi od 80 ⁰ C nalazi 100 [ J] energije, onda se iz nje može dobiti samo 16% rada tj 16 [ J] . Eksergija je prepoznatljiva  u mlazu vode iz slavine u  kuhinji . Daleko, najpoželjnija eksergija za čovjeka je  prisutna u svakoj  električnoj utičnici i električnoj svjetiljci i sklopki . Upravo ta eksergija, koja se 100% pretvara  iz  energije električne  struje, učinila nas je „lijenima“ . Mnoge današnje aktivnosti obavljaju se sjedeći, jer strojevi rade, dok su naši preci morali za iste učine trošiti energiju svojih mišica. Slikovita usporedba je slijedeća :ako čovjek sjedi  jedan sat, onda njegovo tijelo troši  22 [Wh] energije, ali ako ručno pili drva, onda tijelo troši 488 [Wh] energije ili bolje rečeno eksergije. Ljudsko tijelo teži da što manje troši energiju i zato  volimo više sjediti i spavati nego hodati i raditi. Dakle ljudsko tijelo i naša narav teži k lijenosti.  

Eksergija kao dio energije je glavna okosnicu naše civilizacije. Prepoznajemo ju kao benzin u  automobilskom spremniku , financijski  kroz račun za električnu struju, a osjećamo je kroz sunčevo zračenje koje je izvor života. Našim su djedovima pojmovi za eksergiju/energiju bili volovska zaprega i vodeno mlinsko kolo. Srce simbolizira eksergiju tj  rad i dok kuca tada smo  živi.  Dalje, eksergija je nužna za protok otopina (difuzijom, osmozom) različitih tvari kroz  naše stanice  i tkiva .

Ograničenost životnih  resursa i onečišćenja okoliša  evidentni su kao bolest industrijske civilizacije. Kako kročiti dalje u budućnost ,koje orijentire uzeti u terapiji?. O tome razmišljaju mnogi znanstvenici. Jedan od njih je Jørgensen koji pokušava povezati  matematskom relacijom  održivost  u okolišu  i eksergiju. On tvrdi kako se s ustaljenim konceptom trošak /korist u tretmanu  bolesti  industrijske civilizacije neće riješiti dotična bolest . Jørgensen  prikazuje  kako se konceptom  trošak/korist uzaludno troše ogromni kapital i vrijeme  na robe i usluge koje se lako prodaju, a nisu od bitne važnosti za život. Primjerice, život sportaša i pop pjevača je „roba“  koja se lako prodaje,  budući  je povoljan  iznos omjera korist/trošak  za svakog tko  želi brzo zaraditi. Ako se pogledaju mediji, koji dosta vjerno prikazuju svakodnevni život, onda se vidi, kako je za nekog važna  vijest, kupujući  novine, gdje  piše kako je  nogometaš  Kranjčar pogodio  loptom stativu. No, sport i muzika su na desetom mjestu ljudskih potreba.

Jørgensen stvara i  novu  kovanicu  eko-eksergija. (više  vidi knjigu: Sven Erik Jørgensen: „Eco-exergy As Sustainability“ www.witpress.com) kao indikator održivosti . Termodinamski gledano eksergija pod određenim uvjetima  objedinjuje prvi i drugi zakon  tj pretvorbu materije i energije. S pojmom eko-eksergije uključuje se dodatno  i informacija koja je „uskladištena“  u genima kao „šifrirana“ instrukcija u rastu  živih organizama biosfere (biljke, životinje, čovjek). Naime, svijet oko nas je satkan od tri „supstance“: materije, energije i informacije, koje se ponašaju kao trojstvo (IEM triad). Bez tvari ništa ne postoji, bez energije se ništa ne zbiva, bez informacije ništa nema smisla.

U industrijskim pogonima moraju se poštivati norme održivosti primjerice ISO 14000 i koncept „čistije proizvodnje“ kako bi se minimalizirao štetni utjecaj od proizvodnje na okoliš.

  Jørgensen izvodi u  svojim razmatranjima  jednostavnu formulu za eko eksergiju: b_i= 18,7 c_i β_i  [kJ]  gdje je;  18,7  [kJ/g] kemijska eksergije koja je potreban za rast organizama,c_i = masa  u [g]  živih organizama koji koriste kemijsku eksergiju  ( potencijal, aktivnost)  u svakom  kemijskom procesu bio- strukture  , dok je β_i  = bez dimenzionalni faktor  kompleksnosti života (biološko –informatička eksergija) koji se očituje kao vrijednost dužine gena organizma. Tako je vrijednost β-faktora  za čovjeka 2173,0;  za pticu (kokoš) 980; za rižu 275,0;  za bakterije 8,5 a za mrtvi organizam 1 . Ako se uzme masa čovjeka od 80 kg onda to odgovara masi od 630 kg riže. Ovaj koncept eko-eksergije  ponekad ( čitam na Internetu) je opovrgavan, ali meni se   „sviđa“ jer si pokušavam objasniti njime  neke pojave. Primjerice, moja baka je proizvodila kopune. Ti kopuni su bili pridruženi kokošima -kvočkama koje su imale piliće (piceke). Zatim je baka odstranila  kvočke, a male  piliće je dalje „revnosno“ vodio i branio kopun po dvorištu. Kvočke su odmah počele nositi jaja, što inače nije slučaj, jer dok god su imale male piliće one nisu davale jaja. Dakle u jedinici površine našeg dvorišta, učešćem  inteligencije  bake i informacija sadržane u kopunu i kvočki i travi dobila se maksimalna količina materije- jaja i  kvalitetnog mesa kopuna. Ovdje je eko eksergija postala produkt kemijske eksergije i biološko informatičke kompleksnosti svih  elemenata ili učesnike  na našem dvorištu.

                      Kosom se kosilo sijeno u lipnju a žitarice u srpnju.

Vratimo se na početak teksta ,kako mijenjati svjetonazor o današnjem životu ? Na satelitskoj TV gledam kako se u USA i Njemačkoj ljudi ponovo uče (ne zbog mršavljenja!) kositi travu s  kosom. Ako se u ljudsko tijelo unese  hranom 100 [ J] energije onda će mišice dati  kod 20 [⁰ C]  46 [J] eksergije, što je daleko povoljnije od benzinskog motor kosilice. Kada vidim kako  se  kosilicom kosi trava po gradskim parkovima i dvorištima onda mi padaju na pamet neke  eko-eksergijske mudrosti naših  djedova: „Livada je majka oranica“ ,jer što na livadi urodi više sijena, to će se moći stoka bolje hraniti, moći će se držati više stoke, a što više stoke i hrane to više i gnoja. Livada, trava, stoka, gnoj, hrana i čovjek koji kosi travu kosom sve se uvrštava u formulu eko-eksergije, čime se dobiva valjana eksergija ili maksimalni rad (iscrpak) i minimalno stvorena  entropija u okolišu.

---

[i] Primarna energija- Sadržaj energije energenata koja se još nije preobrazila, pretvorila u drugi oblik energije (npr. energija u drvu, ugljenu, vodena snaga, sunčeva energija).

[ii] Michael F.Ashby: Materials and the Environment, Elsevier.  Amsterdam ,2009 str 237

[iii]  Pojmove  eksergija uveo je u tehničku terminologiju  umjesto pojma tehnička radna sposobnost  slovenac Zoran Rant   koji je doktorirao kod našeg velikog termodinamičara  Frana Bošnjakvića. Jelena  kći   od Rant studirala je s mnom  na Tehnološkom fakultetu u Zagrebu . Topla voda u  rezervoaru  ima u sebi toplinsku energiju  koja je zbroj i anergiju i eksergije. Eksergija E koja se može dobiti  tzv „povratnim putem „ iz  toplinske energije  vode Q  izračuna se prema izrazu E=(1-T_o/T_Q)·Q  gdje je T_o  okolišna temperatura, a T_Q  temperatura vode. Ostatak  je anergija. Električna energija je čista eksergija