我喜欢美国能源流程图每年由劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)出版。2021年的榜单于4月发布，你可以在上面看到它的全貌。(右键下载完整版。)对于许多人来说，图表中最引人注目的部分是灰色显示的被拒绝的能量。一个常见的反应是:“哇!我们确实浪费了很多能源。我们需要提高效率。”我们来谈谈这个。

燃烧的燃料

首先要明白的是，绝大多数被拒绝的能量来自燃烧燃料。我们燃烧石油、天然气、煤和生物质来获得热量。然后我们用这些热量做功。有时工作是移动一辆车。有时它运行工业设备。有时它会带动涡轮机发电。

所有这些过程都涉及到热机，一种将热量转化为功的装置。当存在温差时，热量就会移动热力学第二定律告诉我们热量总是从温暖的地方转移到凉爽的地方。这意味着热机没有温差就不能工作。

热机效率的极限

但是热机的问题是，没有办法把所有的热能转化成可用的功。总会有余热。这就是你在上面看到的大部分被拒绝的能量。

事实证明，我们已经知道这个限制将近200年了。一个叫萨迪·卡诺的法国小孩发现热机的效率是有限的。他发现了产生热机最高效率的热力学循环。他的工作在热力学中是如此重要，以至于他的最大理论效率被称为卡诺效率。

此外，他确定效率极限只取决于一个因素:热机热侧和冷侧之间的温差。冷热温差越大，热机的效率就越高。

在传统发电厂使用的温度下，燃料中大约三分之二的能量变成了被丢弃的能量。联合循环燃气轮机发电厂可以达到更高的温度，效率高达60%左右。汽车会丢弃大约四分之三的燃料能量。

我们能做得更好吗?

我们可以从燃料燃烧海绵中挤出更多的水，就像联合循环燃气轮机一样。在一些地方使用的另一种改进是所谓的热电联产(CHP)工厂，或热电联产。它只是一个离建筑物足够近的发电厂，可以利用较低温度的废热。

当你可以利用热电联产时，被拒绝的能量的很大一部分不再被拒绝。耶!你把它送到医院或办公楼或其他附近的设施，这些设施将使用这些热量来加热空间或水。不幸的是，热电联产很少见，因为大多数大型发电厂都位于农村地区，远离废热的潜在用户。

效率不是解决被拒绝的能源的办法

只要我们继续燃烧燃料，就会有大量被丢弃的能量。这就是热机的本质。只有一种方法可以最小化图表右上方的灰色区域:用可再生能源取代燃烧。

这种转变的一个好处是，我们也摆脱了燃烧带来的污染和碳排放。燃烧产生的被拒绝的能量通常会使事情变得更糟。来自太阳能和风能的被拒绝的能量只是做了它们本来应该做的事情。

最后几句话

首先，LLNL图表被称为能量流程图，但它并不是一个全面的能量图。它是关于燃料的。能源的主题要大得多，包括很多图表没有涉及的东西。第二，将温差转化为功的热机可以反向工作。当它把功转化为温差时，我们称之为冰箱或热泵。第三，图表中包含了很多内容。此外，你可以更好地了解我们燃料使用的趋势，通过观察它们是如何随时间变化的。我在之前的一篇文章中做过为什么全电动汽车是有意义的。

最后，当你在图表中看到所有被拒绝的能量时，我希望你能意识到我们不能仅仅通过提高效率来消除它。这是燃烧和热机不可避免的副产品。

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Allison A. Bailes III博士是一个演讲者他是乔治亚州迪凯特市能源先锋公司的创始人，作家、建筑科学顾问。他拥有物理学博士学位，并撰写了能源先锋博客。他也有一本关于建筑科学的书将于2022年秋季上映。你可以在推特上关注他@EnergyVanguard。