高中地球科學/節能

想象一下，有人給你一張 100 美元的鈔票，你可以隨心所欲地使用它。那將是一筆相當不錯的交易，不是嗎？現在想象一下，這個人給他們的提議附加了一個條件：為了獲得這 100 美元的鈔票，你必須付給他們 75 美元。你仍然會賺到錢，但這次你只會得到 25 美元。花掉錢來賺錢有意義嗎？這取決於你花了多少錢能賺回多少錢。

獲取和使用自然能源就像花錢來賺錢。我們僅用於獲取能源就消耗了大量的能源（圖 20.8）。我們必須找到能源來源，從地球上開採出來，將其運輸到使用的地方，通常還要對其進行加工或轉化為其他形式的能量。獲取能源的每一步本身都需要使用能量。例如，我們使用石油為我們的汽車生產燃料。為了獲得石油，我們通常必須建造巨大的鑽井設施，並鑽入地球深處數百米。這樣做需要能量。然後，我們使用卡車或船隻將石油運輸到世界各地，這也需要能量。然後，我們必須將石油加熱到沸點才能從中製造不同的產品，比如燃料和汽車油，這需要更多的能量。

圖 20.8：獲取能源需要能量。這是一個用於從深海中開採石油的石油平臺。建造和執行該平臺需要大量的能量。

在本課程中，您將瞭解到不同的能源都需要新增一些其他能量才能變得有用。您將能夠根據各種能源的實用性對它們進行比較。您還將瞭解一些我們可以節約能源或更有效地使用能源的方法。

課程目標

• 討論為什麼獲取能源需要能量，以及為什麼有些形式的能量比其他能量更有用。
• 描述一些節約能源或更有效地使用能源的方法。

獲取能源

獲取能源需要能量。淨能量是指從資源中獲得的可使用能量，減去從地球上開採該資源並使其可供人類使用的能量。我們剛剛討論了有人給你 100 美元，但要求你償還 75 美元。在這種情況下，你的淨收入將是 25 美元，即 100 美元減去 75 美元。淨能量的計算方式相同。例如，對於我們從地球上開採的每 5 桶石油，我們必須使用 1 桶石油用於開採和精煉過程。這使我們的淨供應量僅為 4 桶（5 桶減去 1 桶）。

請記住，石油是一種不可再生資源。想象一下，如果開採和精煉石油所需的能量增加了會發生什麼。如果開採 5 桶新的石油需要消耗 4 桶石油，會發生什麼呢？那麼我們的淨供應量將只有 1 桶。我們的石油供應量將比目前的速度更快地減少。

我們有時使用淨能量比率這個詞來表明資源中可用能量量與獲取該資源所用能量量之間的差異。如果我們從一定量的石油中獲得 10 個單位的能量，但使用 8 個單位的能量來開採、運輸和精煉石油，那麼淨能量比率為 10/8 或 1.25。大於 1 的淨能量比率意味著我們仍然獲得了一些可使用的能量。小於 1 的淨能量比率意味著總的能量損失。表 20.2 顯示了幾種常用的能源，用於為我們的房屋和學校供暖。它顯示了它們的淨能量比率。比率越高表示該來源提供的可使用能量比比率低的能量更多。

表 20.2：能源來源和能量比率

能源來源	淨能量比率
太陽能	5.8
天然氣	4.9
石油	4.5
燃煤發電	0.4

從表格中可以看出，可再生太陽能提供的淨能量遠多於其他來源，而燃煤發電實際上消耗的能量比它產生的能量還要多。你認為這是為什麼呢？燃燒煤炭發電需要大量的能量才能獲得能量。我們必須找到煤炭，開採煤炭，運輸煤炭，並建造發電廠來燃燒煤炭（圖 20.9）。所有這些都需要能量，並減少了我們可使用的淨能量。然而，太陽能從一開始獲取所需能量非常少。我們不需要開採它或用卡車運輸它。陽光在全球範圍內都很充足，可以在收集它的同一地點使用。

圖 20.9：運輸煤炭需要大量的能量。執行運輸煤炭的火車需要能量。

能源效率

上面關於淨能量的討論向您表明，獲取能源需要能量，並且有些能源來源需要比其他能源來源更多的投入才能獲得可使用的能量。在我們獲得能量後，我們就會將其用於某種用途。能源效率是一個術語，描述了我們從使用的每個單位能量中可以做多少可使用能量來做功。更高的能源效率是可取的，因為它意味著我們浪費的能量更少，並且從我們從地球上獲取的能源來源中獲得更多使用價值。更高的能源效率還可以讓我們延長不可再生資源的使用壽命，使它們持續更長時間。

在美國，近 85% 的能源來自不可再生的化石燃料。由於這些燃料的供應有限，我們尤其需要關注有效地使用它們。有時，我們的選擇會影響能源效率。例如，運輸需求需要大量的能量。汽車和飛機等交通方式不如船舶和火車高效。熒光燈泡比普通白熾燈泡更節能。水力發電站比核裂變反應堆更節能。

節能

節能包括減少或消除不必要的能源使用。這將提高能源效率。節能可以為我們節省資金，還可以確保我們的能源供應持續更長時間。節約能源主要有兩種方法：少用能源和更有效地使用能源。餅圖（圖 20.10）顯示了美國能源的使用情況。

圖 20.10：此餅圖顯示了美國能源的使用情況。

在美國，近一半的能源用於交通和家庭使用。這意味著個人可以在全國範圍內為節能做出很大貢獻。表 20.3 顯示了一些方法，我們可以透過這些方法減少能源使用，並在交通、住宅、工業和辦公環境中更有效地使用能源。

表 20.3：更有效地少用能源

能源使用地點	如何少用能源	如何更有效地使用能源
交通	騎腳踏車或步行而不是開車 減少出行次數 使用公共交通工具	提高汽車的燃油效率 購買和駕駛更小的汽車 用更輕、更堅固的材料製造汽車 以每小時 90 公里（每小時 55 英里）或以下的速度行駛
住宅	不在房間時關燈 僅在必要時執行電器 不使用電器時將其拔掉 穿上毛衣而不是開暖氣 看書或在戶外玩耍而不是看電視 依靠陽光而不是人造光	用更新、更高效的型號替換舊電器 為您的房屋保溫 確保窗戶和門密封良好 如果可用，使用 LED 燈泡或緊湊型熒光燈泡（並妥善處理！）
工業	回收利用材料，如汽水罐和鋼材 減少塑膠、紙張和金屬材料的使用	在工廠實施節約措施 重複利用材料 設計更節能的裝置
商業（企業、購物區等）	不使用時關閉電器和裝置	使用熒光燈 設定恆溫器，在建築物關閉時自動關閉供暖或空調

減少能源消耗或提高能源利用效率將有助於節約能源資源。由於我們依賴的許多能源資源都是不可再生的，我們需要確保儘可能少地浪費它們。

課程總結

• 獲得能源需要消耗能源。我們使用“淨能源”這個詞來指代在消耗能量獲取、運輸和提煉其他形式的能量後剩餘的能量。
• 能源一旦可用，我們就將其用於某些用途，但有時會以低效的方式使用。
• 我們可以透過減少能源消耗來節約能源資源。
• 我們還可以透過提高能源利用效率來獲得更多工作量。
• 這方面的例子包括駕駛小型汽車和使用熒光燈泡。

複習題

1. 定義淨能源。
2. 為什麼太陽能的淨能源比值比燃煤發電更高？
3. 燃煤發電的淨能源比值是 0.40。解釋為什麼這意味著從燃燒煤炭中獲取電力是能源利用中的不理想選擇。
4. 你在家中可以採取哪些兩種方法來減少能源消耗？
5. 為什麼特別重要的是不要浪費來自化石燃料的能源？
6. 火車在運輸物品方面比卡車效率高得多。你認為這可能是為什麼？

詞彙表

能量

我們從燃料中獲得的做功的能力。

開採

從地球中開採石油的過程。

熒光

一種比普通燈泡節能的照明方式。

淨能源比值

某種燃料中存在的有效能量與開採和加工該燃料所消耗的能量之間的比率。

提煉

從石油中去除雜質使其可用的過程。

思考要點

• 如果獲取能源需要消耗能源，那麼哪種型別的能源是最佳選擇？
• 將以下行動按照從最重要到最不重要的順序排列：選擇可持續的能源形式，提高能源效率，節約能源消耗。解釋你選擇的順序。
• 世界上每個人都可以像美國人每天那樣使用那麼多能源嗎？為什麼？