Калинин А.Э. Учебное пособие. Энергосбережение
Подождите немного. Документ загружается.
ВОРОНИН Сергей Михайлович
КАЛИНИН Александр Эдуардович
Учебное пособие
Зерноград
2008
ВВЕДЕНИЕ
1 3
2
1
3
4
5
2
1
2 3
4
1
2
3
4
1
1
2
3
4
1
2
3
4
В период обострения проблем традиционной энергетики, прежде всего
истощения запасов ископаемого топлива, усиливающегося отрицательного
влияния на экологию и интенсивного роста цен на энергоносители, все
большую актуальность приобретают вопросы энергосбережения.
Энергосбережение охватывает целый комплекс задач и развивается по
многим направлениям: разработка экономичных потребителей энергии,
совершенствование технологических процессов, использование вторичных
энергоресурсов, оптимизация режимов работы преобразователей энергии
(электростанций и теплоэлектроцентралей), поиск более дешевых и
доступных источников энергии. Так как любой вид энергии в процессе
производства работы, в конце концов, превращается в тепло, то сокращение
тепловых потерь можно считать основой энергосбережения.
Разрабатывая мероприятия по экономии энергии важно не упускать из
вида необходимость потребления энергии и производства работ. В
противном случае энергосбережение может принести убытки производству,
которые не окупятся экономией энергоресурсов.
Таким образом, энергосбережение содержит взаимоувязанный
комплекс разноплановых задач, решение которых требует специальных
знаний в области производства, преобразования, транспортировки и
потребления энергии.
Настоящее учебное пособие призвано оказать помощь в получении
необходимых специальных знаний, и содержит требуемый минимум
методических и научных положений, предусмотренных Государственным
стандартом на образование при изучении дисциплины ОПД.Ф.07
"Энергосбережения в теплоэнергетике и теплотехнологиях" по направлению
подготовки дипломированных специалистов "Теплоэнергетика". Кроме того,
в предлагаемом пособии более широко освещены методические и научные
основы экономии электроэнергии.
1 3
2
1
3
4
5
2
1
2 3
4
1
2
3
4
1
1
2
3
4
1
2
3
4
3
Глава 1. Актуальность энергосбережения
в России и в Мире
1.1. Современное состояние энергетики
в России и в Мире
Учитывая громадное влияние энергетики на уровень развития
человечества, анализу энергопотребления уделялось и уделяется большое
влияние во всех индустриальных государствах и в Мире в целом. При этом,
не смотря на различия в уровне жизни отдельных государств, тенденции
развития энергетики имеют много общего, что впервые заметил профессор
О.Л.Данилов /9/. Так фактическое энергопотребление имеет меньшее
значение по сравнению с прогнозируемым значением. Для развитых стран,
включая и Россию, характерно уменьшение в энергоснабжении доли нефти,
увеличение доли газа и ядерного топлива. Для всех развитых стран
характерна небольшая доля использования возобновляемых источников
энергии (ВИЭ).
Существуют и различия, объясняемые историческими особенностями
экономики и географическим положением государств. Так в странах Европы,
США, Канаде, Японии все же растет доля возобновляемых источников
энергии, в то время как в России использование ВИЭ продолжает оставаться
на пренебрежимо малом уровне, а доля в общей энергетике страны даже
уменьшается. В среднем Россия по этому показателю отстает от
перечисленных стран в сотни раз.
В связи с обостряющимися кризисными явлениями в традиционной
энергетике вопросы энергообеспечения приобретают особый статус, во всех
развитых государствах существуют национальные программы
энергетической безопасности. В соответствии с этими программами
предполагается непрерывно проводить анализ энергоснабжения и
энергопотребления, постоянно выявляя места неэффективного использования
энергии и разрабатывая мероприятия по совершенствованию использования
энергетических ресурсов, включая и мероприятия по энергосбережению.
1 3
2
1
3
4
5
2
1
2 3
4
1
2
3
4
1
1
2
3
4
1
2
3
4
4
Динамика потребления энергоресурсов в Мире положительная, то есть
является монотонно возрастающей функцией, хотя темпы увеличения в
различные периоды неодинаковые (рисунок 1.1, приводится по /9, 15/).
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020
Год
Добыча энергоресурсов,
млн. т.у.т.
Рисунок 1.1. Диаграмма мировой добычи энергоресурсов
С начала глобальной и интенсивной индустриализации (середина 19
века) добыча ископаемого топлива интенсивно росла вплоть до начала 20-го
века. Далее, приблизительно с 1914 года темпы добычи замедлились, что,
видимо, связано с началом первой мировой войны. В это же время начался
интенсивный период освоения гидроэнергетики.
Начиная примерно с 1960 года, темпы добычи ископаемого топлива
опять значительно возросли. Это можно объяснить организацией ОПЕК и
освоением ядерного топлива для атомных электростанций. Увеличение
темпов происходило до 70-х годов прошлого столетия. По данным ООН за
это время увеличение энергопотребления в Мире составило 2,6 млрд. т.у.т.
Затем темпы энергопотребления снизились более чем в 1,5 раза и составили
1,7 млрд. т.у.т. Такое снижение темпов энергопотребления произошло за счет
развитых стран. Так в США ежегодный прирост энергопотребления составил
1 3
2
1
3
4
5
2
1
2 3
4
1
2
3
4
1
1
2
3
4
1
2
3
4
5
0,4%, в странах Западной Европы – 0,25%, в то время как средний прирост в
Мире составил 1,7%.
Снижение темпов энергопотребления в этот период можно объяснить
ростом цен на природные энергоресурсы, что заставило развитые страны,
наиболее крупные потребители энергоресурсов, вплотную заняться
энергосбережением. Как следует из диаграммы (рисунок 1.1) процессы
энергосбережения охватывают все новые страны, замедляя добычу и
потребление ископаемого топлива.
На рисунках 1.2 и 1.3 показано энергопотребление и прогноз по
регионам Мира.
Как следует из приведенных диаграмм, доля потребления
энергоресурсов наиболее сильно увеличится в Азиатско-Тихоокеанском
регионе и в странах Латинской Америки, Среднего Востока и Африки (в два
раза по сравнению с 2000 годом). Это можно объяснить высокими темпами
индустриализации стран этих регионов, а в странах ОПЕК еще и ростом
экспорта нефтепродуктов.
Северная
Америка
Латинская
Америка
Западная
Европа
Центральная и
Восточная
Европа
Страны СНГ
Средний Восток
и Африка
Азиатсо-
Тихоокеанский
регион
Рисунок 1.2. Энергопотребление в Мире в 2000 году, млрд. т.у.т.
1 3
2
1
3
4
5
2
1
2 3
4
1
2
3
4
1
1
2
3
4
1
2
3
4
6
Северная
Америка
Латинская
Америка
Страны СНГ
Средний Восток
и Африка
Азиатсо-
Тихоокеанский
регион
Западная
Европа
Центральная и
Восточная
Европа
Рисунок 1.3. Энергопотребление в Мире
(прогноз на 2020 г), млрд. т.у.т.
В структуре энергопотребления в настоящее время ведущая роль
принадлежит нефти (около 30% от всех топливно-энергетических ресурсов).
В дальнейшем (2020 год) ожидается уменьшение потребления нефти на 2 –
4% и увеличение доли природного газа, каменного угля и электроэнергии,
производимой на атомных электростанциях.
В настоящее время использование топливно-энергетических ресурсов в
среднем в Мире оценивается следующими характеристиками:
мировая обеспеченность энергоресурсами (включая и биомассу)
составляет 2,4 т.у.т./чел., и 2 200 кВт.ч./чел.;
энергоемкость валового продукта 0,4 кг/дол
1
.
Россия, занимая более 1/8 части мировой территории и имея 1/36 часть
населения планеты, располагает сверхдостаточными энергетическими
ресурсами: разведанные запасы нефти – 12%, природного газа – 34%,
каменного угля – 20%, бурого угля – 32%. Потенциальные ресурсы этих
ископаемых еще выше. В конце прошлого столетия (1990 год) Россия
занимала ведущее место по добыче ископаемого топлива (30% мировой
добычи газа, 17% нефти, 9% производства электроэнергии, 8% каменного
1
Здесь и далее доллар США
1 3
2
1
3
4
5
2
1
2 3
4
1
2
3
4
1
1
2
3
4
1
2
3
4
7
угля). Обеспеченность запасами топливно-энергетических ресурсов по нефти
и газу оценивается в десятки лет, а по каменному углю более сотни лет.
Вместе с тем, использование энергоресурсов для производства внутреннего
валового продукта (ВВП) оставляет желать лучшего.
За последнее десятилетие энергоемкость в большинстве
индустриальных стран снизилась и продолжает снижаться, что
свидетельствует о высоком уровне энергосбережения. Энергоемкость
продукции в Мире по прогнозам ООН к 2020 году снизится на 25%, при этом
наибольшее снижение будет достигнуто в Японии и странах ЕЭС. По тем же
прогнозам, энергоемкость России будет снижаться не так интенсивно и будет
превышать энергоемкость в Японии в 6 раз, а в США в 3 раза.
Энергоснабжение России исторически развивалось следующим
образом. До 50-х годов 20-го века ведущая роль принадлежала каменному
углю, который был основным источником энергии на топливных
электростанциях. Затем, с развитием транспортной отрасли стала расти доля
нефти, а вместе с ней и газа. В это же время обозначилось и снижение
энергоемкости ВВП, однако низкие цены на потребляемую энергию не
стимулировали процессы энергосбережения. С 80-х годов началось
интенсивное освоение нефтяных и газовых месторождений Западной Сибири
и сибирского Севера. Значительный приток нефти и газа из этого региона
ослабил стремление к энергосбережению, что сразу же отразилось на
энергоемкости ВВП, затормозив тенденцию ее снижения.
Кризисные явления в экономике страны привели так же и к снижению
добычи нефти и газа. Так за период 1985 – 1995 г.г. добыча нефти снизилась
с 542 млн. тонн до 301 млн. тонн. И только в 1997 году начался прирост
добычи нефти (306 млн. тонн), который продолжается до настоящего
времени. Введение рыночных цен на экспортируемые энергоресурсы
обеспечивает увеличение их добычи.
По экономическим прогнозам прирост ВВП России до 2020 года
должен составлять 5 – 6% в год. Это потребует увеличения добычи и
1 3
2
1
3
4
5
2
1
2 3
4
1
2
3
4
1
1
2
3
4
1
2
3
4
8
переработки энергоресурсов при сложившейся энергоемкости внутреннего
валового продукта в 3 раза. Такое увеличение топливно-энергетических
ресурсов не реально в оставшиеся годы. Отсюда следует особая
необходимость в энергосбережении.
Кроме экономических причин существуют и другие причины
признания энергосбережения актуальнейшей задачей современной
энергетики.
Энергосбережение становится все более необходимым из-за
неизбежного истощения запасов ископаемого топлива, что в последнее время
происходит с очень высокими темпами. Истощение мировых запасов
традиционного топлива по пессимистическим прогнозам произойдет во
второй половине 21-го века, а по оптимистическим к концу следующего
столетия. По оптимистическим прогнозам предполагается решить эту
проблему за счет увеличения доли ядерного топлива (основной компонент) и
возобновляемых источников энергии. Такое устранение проблемы
истощения топливных запасов представляется реально выполнимой задачей,
особенно с изысканием способов использования изотопа урана
238
U и
термоядерных реакций.
Однако электроэнергия, вырабатываемая атомными электростанциями,
является очень дорогой, что обусловлено весьма высокой сложностью
атомных реакторов, высокими затратами на обеспечение безопасности и
захоронения отходов.
1.2. Энергосбережение
и экология
Второй проблемой современной энергетики на ископаемом топливе
является негативное влияние на экологию Земли. Здесь следует отметить, что
наибольшие опасения обусловлены выбросом теплоты и газов, способных
вызывать парниковый эффект на планете. Считается, что при глобальном
увеличении температуры атмосферы на 3 градуса произойдут экологические
1 3
2
1
3
4
5
2
1
2 3
4
1
2
3
4
1
1
2
3
4
1
2
3
4
9
катастрофы, связанные с таянием полярных льдов. Здесь также существует
множество прогнозов, по которым необратимые экологические изменения
наступят в конце текущего столетия (пессимистический прогноз) или через
несколько столетий (наиболее оптимистический вариант). Не затрудняя себя
анализом этих вариантов, отметим следующее.
При сжигании топлива выделяется большое количество теплоты
(тепловой энергии), которое в соответствующих рабочих машинах
(преобразователях энергии) преобразуется в другие виды энергии или идет
на производство работы. Однако, при любом преобразовании энергии, часть
ее неизбежно превращается в теплоту. Произведенная теплота не только не
является полезной, но и приводит к нагреву окружающей среды. Даже в
тепловых установках, например, обогревателях помещений, полученная
полезная теплота, в процессе нагрева помещения (полезной среды),
проникает через ограждения в окружающую (неполезную) среду.
Превращения, в конечном счете, любых видов энергии в процессе их
преобразования в теплоту в начале двадцатого века даже породили
дискуссии о неизбежности "тепловой смерти"
2
.
Выделяемая в атмосферу земли теплота имеет пренебрежимо
малую величину по сравнению с естественным поступлением теплоты от
Солнца и недр Земли, и в глобальном масштабе пока не вызывает
опасений. Однако в местах интенсивного преобразования энергии
выделяемой теплотой уже нельзя пренебрегать. Так, по данным /8/ в
районе Лос-Анджелеса выделяется до 0,5% теплоты по сравнению с
теплотой, поступающей от Солнца в этом же месте, и продолжает расти.
В таких случаях искусственное тепловыделение способно заметно
повлиять на тепловой баланс в данной местности. Существуют
гипотезы /6,7/, что причиной разрушительных ураганов, обрушившихся
на побережье Америки в 2005 году, были местные тепловыделения в
промышленных районах побережья США.
2
В ходе научных дискуссий была доказана ошибочность такого мнения.
1 3
2
1
3
4
5
2
1
2 3
4
1
2
3
4
1
1
2
3
4
1
2
3
4
10
Расчеты, проведенные различными авторитетными организациями
(в том числе и независимыми, состоящими при ООН) показали, что
повышение температуры приземного слоя атмосферы только на 1 градус
повлечет существенное изменение границ климатических зон. При
увеличении температуры на 3 градуса начнется таяние ледяных шапок
Земли (материковых льдов), и большинство территорий окажется под
водой. Например, затопленным окажется полуостров Флорида /8/.
Аналогичная участь может постигнуть и Приэльбрусье. Вследствие
повышения уровня воды в Мировом океане, уменьшатся площади
пляжей и других прибрежных территорий. Могут измениться в сторону
уменьшения и территории вечной мерзлоты. Учитывая, что в России
северные населенные пункты возводились с учетом вечной мерзлоты
грунта, таяние может создать значительные проблемы устойчивости
строительных фундаментов.
Вода, образованная таянием арктических льдов, по законам
механики будет стекать к экватору Земли, то есть, навстречу теплым
экваториальным течениям, обогревающим Европу. Так как талые воды
имеют меньшую плотность, чем океанические, то теплые течения будут
уходить на глубину. Это может привести к охлаждению атлантической
Европы, что в некоторой мере ощущается уже в настоящее время.
Таким образом, глобальное потепление может привести к
изменению океанских течений и начнется своего рода цепная реакция
изменения климата Земли.
Еще одним экологически опасным фактором являются парниковые
газы, то есть, газы выделяемые в атмосферу при сжигании ископаемого
углеводородного топлива и способные вызывать парниковый эффект.
В результате работы тепловых электростанций в атмосферу
наиболее интенсивно по сравнению с другими газами выбрасывается
углекислый газ СО
2
. Углекислый газ формально не является вредным
1 3
2
1
3
4
5
2
1
2 3
4
1
2
3
4
1
1
2
3
4
1
2
3
4
11