Рухлов / Энергосбережение

Министерство образования и науки Украины Национальный горный университет

Кафедра систем электроснабжения

Лекционный курс

"Энергосбережение"

Разработал: доц. Рухлов А.В.

Днепропетровск

2012

ЛЕКЦИЯ 1 ПРОБЛЕМА ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

Энергия и природа

Словари и многие учебники объясняют значение понятия «энергия» как общую количественную меру различных форм движения материи. При этом каждому физическому процессу ставится в соответствие определенный вид энергии: механическая, тепловая, электромагнитная, гравитационная, ядерная.

Для выполнения любой работы необходимо расходовать энергию как ее эквивалент. Поэтому под энергосберегающими следует понимать такие процессы, на выполнение которых расходуется столько энергии, сколько достаточно для выполнения конкретной работы при заданных условиях.

Весь достаточно длительный процесс освоения энергии человеком можно разделить, для удобства обсуждения, на пять этапов:

•первый – использование мускульной энергии. Он уходит в глубь тысячелетий и длится до V – VII в. н. э. Одно из самых замечательных достижений этого периода – овладение огнем: вначале поддержание костра, а затем добывание огня и заготовка первого энергетического ресурса – дров;

•второй (VII – XVII в. н. э.) – относится к использованию энергии движущей воды и ветра, он связан с изготовлением специальных, порой очень непростых сооружений, требующих коллективного труда и творчества. Техническая основа разработок этого времени – колесо;

•третий (с XVIII в. до начала XX) – соответствует все более широкому применению движущей силы – огня, источником которого является химическая энергия топлива: каменного угля, нефти, газа, горючих сланцев и т.п., накопленных в биосфере прошедших геологических эпох;

•четвертый (с XX в.) – не зря называют «золотым веком электричества». Благодаря его открытию, а главным образом созданию многочисленных двигателей и приборов, для человечества оказалось возможным освоить и обеспечить электроэнергией практически все уголки нашей планеты, более или менее пригодные в климатическом отношении для жизни.

Третий и четвертый этапы до настоящего периода и, по-видимому, в ближайшие два – три столетия характеризовались и будут характеризоваться тем, что добыча полезных ископаемых происходит гораздо более высокими темпами, чем средние скорости их образования;

•пятый – развития энергетики, основанной на использовании энергии распада атома и синтеза ядра, практически станет определяющим только в XXI в. или, по более осторожным оценкам, в следующем тысячелетии.

В XX в. электричество вступило в права основного энергодателя, энергопреобразователя и энергопереносчика. Электрическая энергия имеет большие преимущества перед другими видами: она быстро и с малыми потерями передается на большие расстояния; может легко преобразовываться в другие виды энергии: КПД электропреобразователей может быть очень высоким, вплоть до 100 %. Источник ее – как энергия падающей воды, так и энергия органического

топлива. Отметим, что около 80 % получаемой в мире энергии, большая часть которой превращается в электрическую на мощных ТЭС и АЭС, производится на основе использования паровых турбин.

Схема превращения энергии органического топлива (угля, нефти, газа, мазута) в электрическую многоступенчата. Например, тепло от сгорающего топлива нагревает воду в котле, которая превращается в пар высокого давления, он приводит в движение паровую турбину, а последняя – ротор электрического генератора, находящийся в сильном магнитном поле, тоже создаваемом током. И только после этого электроэнергия преобразуется и передается потребителю.

Стратегически важным видом топлива в настоящее время является нефть. Получаемые из нее бензин, керосин, дизельное топливо используются в энергетических машинах как основное горючее. И хотя разведанные запасы ее растут, нет сомнения, что в ближайшие 100 лет они будут практически исчерпанными.

Примерно то же самое можно сказать об угле, невозобновляемом горючем этого типа. В начале XX в. он лидировал по использованию в энергетике мира. Запасы его примерно в 10 – 20 раз больше, чем нефти. Однако наиболее распространен бурый уголь, обладающий пониженной теплотворной способностью. При сжигании от него остается много отходов. Окружающая среда загрязняется, главным образом, ядовитыми оксидами серы и азота, а также зольными выбросами.

Перспективен ныне природный газ, широко используемый в быту и промышленности, но его запасы не превышают запасов нефти. К тому же, он заслуживает большего внимания не как топливо, а как химическое сырье.

В будущем, хотя и не безопасной для человека, будет ядерная энергия. Основы ее применения разработаны специалистами одной из самых развитых наук – теоретической и экспериментальной физики. Масштабы ее производства на атомных станциях составляют не менее 50 % всего объема электроэнергии. Преимущества урана ясны: килограмм этого горючего дает энергии столько же, сколько железнодорожный состав каменного угля. Однако при использовании энергии атома на одно из первых мест выступают проблемы безопасности.

Существует безопасный и практически экологически чистый способ частичного решения энергетической проблемы. Это более полное использование солнечной энергии, непосредственно поступающей на Землю. В этом случае загрязнение отсутствует, включая и тепловое, так как используется энергия, которая ранее практически бесполезно терялась в виде выделившегося тепла.

Широкое применение солнечной энергии, т.е. развитие гелиоэнергетики, связано с преодолением ряда трудностей. Это низкая плотность потока солнечной энергии. Несмотря на огромное общее количество энергии, поступающей от Солнца (более чем в 1000 раз выше общего энергопотребления всего человечества), на каждый квадратный метр поверхности Земли приходится всего 100

– 200 Вт, в зависимости от географических координат.

Поиск альтернативных источников энергии тепловым электростанциям стимулируется не только истощением запасов органического топлива, но и их негативным воздействием на окружающую среду. Суть несовершенства тех-

3

нических систем в этом смысле состоит в следующем. Известно, что 1 кВт ч = 3,6 МДж. В то же время на выработку 1 кВт ч электроэнергии в Украине в среднем расходуется 373 г.у.т. Энергетический потенциал последних соответствует 10,93 МДж. Таким образом, 7,33 МДж теряется в окружающей среде, проявляясь в виде теплового загрязнения. Дополнительно при этом в атмосферу выбрасываются оксиды серы и азота, которые являются одними из наиболее токсичных соединений. Составляют они до 99 % от выбросов сернистых соединений энергоустановками.

Энергия и энергосбережение

Энергия, которая используется в промышленности, сельском хозяйстве, быту, на транспорте и в других сферах деятельности человека, относится, главным образом, к электрической и тепловой. Значительная часть электрической энергии (93 % от общего производства в Украине) вырабатывается на электростанциях, которые используют неорганическое (АЭС) или органическое (ТЭС и ТЭЦ) топливо.

С понятием “энергия”, прежде всего, следует связывать действие, процесс, подчиняющиеся законам термодинамики. Поэтому за счет энергосбережения осуществляется экономия какого-то количества энергии, которое должно быть израсходованным, если бы энергосбережение не выполнялось. По сути, мы экономим органическое, ядерное или другое топливо. Поэтому есть смысл условно выделить два вида энергии: выработанную и не выработанную (абстрактную), а экономию энергии рассматривать как экономию топлива.

Проблема энергосбережения возникла в связи с тем, что потребление энергии увеличивается, основные топливно-энергетические ресурсы (ТЭР) природного происхождения (не возобновляемые) сокращаются, выработка и ее потребление осуществляются неэффективно, воздействие на природную среду усиливается. Новых источников энергии и готовых к практическому применению в настоящее время не существует. Поэтому проблема энергосбережения взаимосвязана с проблемами энергетики, технического перевооружения и со структурой перестройки всей экономики страны.

В общем, понятие “энергосбережение” по ДСТУ 2420-94 формулируется как деятельность (организационная, научная, практическая, информационная), направленная на рациональное использование и экономное расходование первичной и преобразованной энергии и природных энергетических ресурсов в национальном хозяйстве и реализуемая с применением технических, экономических и правовых методов.

Основой проведения энергосберегающей политики в Украине является Комплексная государственная программа энергосбережения (далее Программа), которая рассчитана на 1997 – 2010 гг. Ее цель – разработка основных направлений государственной политики энергосбережения, выведение Украины из энергетического и экономического кризиса и выход на уровень передовых стран. При успешной реализации Программы к 2010 г. планируется сэкономить 108,8 млн. т.у.т., что составляет 34 % от потребности в ТЭР на 2010 г., рассчи-

4

танной без проведения политики энергосбережения. Практически такая экономия ТЭР позволяет выйти к 2010 г. на уровень потребления 220 млн. т.у.т., что соответствует уровню расхода в 1995 г. Главный потенциал энергосбережения сосредоточен в промышленности (около 60 %) и энергетике (20 %), остальные 20 % – в коммунально-бытовой сфере, транспорте, сельском хозяйстве и др.

Для уяснения роли различных видов энергии рассмотрим общую модель взаимопревращения первичных и непосредственно используемых ее видов. В повседневной жизни, в быту и различного рода производственных процессах преимущественно применяется всего три вида энергии: тепловая, механическая и электрическая. На первом месте стоит тепловая, на долю которой приходится около 75 % всего количества потребляемой энергии. Это расход тепла на технологические нужды промышленности (плавка металла, сушка и т.п.) и отопление. На долю механической энергии (привод стационарных и транспортных установок) отводится 24 %. Всего 1 % составляет доля электрической энергии, которая необходима для электротехнологических процессов (электролиз и т.п.) непосредственно в непреобразованной форме.

Для получения этих видов энергии человечество использует “первичные” виды энергии – химическую и атомную, носителями которой являются, соответственно, органическое и ядерное топливо. Взаимосвязь “первичных” и используемых в быту и промышленности видов энергии показана на рис.1, где стрелки символизируют направление превращения исходного вида энергии в последующий.

Органическое топливо

Ядерное топливо

Т е п л о в а я э н е р г и я

Электрическая энергия Механическая энергия

Рис.1. Схема модели взаимопревращения “первичных” и непосредственно используемых видов энергии

Важнейшим социально-экономическим результатом электрификации является увеличение производительности труда, что определяется электровооруженностью труда в промышленности, т. е. количеством киловатт-часов расходуемой электроэнергии на одного работающего. Если значение этого показателя в 1913 г. принять за единицу, то к 1990 г. он вырос в 82 раза.

Энергоемкость внутреннего валового продукта (ВВП) – одна из фунда-

ментальных характеристик в экономике каждой страны. Этот показатель означает объем потребления ТЭР для обеспечения энергетических производственных и непроизводственных потребностей страны на единицу ВВП.

При сопоставлении показателей различных стран учитывается различие официальных курсов национальных денежных единиц (валют) относительно их

паритета реальной покупательской способности (ПКС).

5

В табл.1 приведена энергоемкость ВВП для ряда стран в показателях нефтяного эквивалента (н.э.) относительно единицы ВВП, выраженного в долларах США с учетом ПКС.

Высокая энергоемкость ВВП в Украине объясняется устарелыми технологиями, неудовлетворительной отраслевой структурой национальной экономики и другими причинами. Однако за последние три года наблюдается снижение энергоемкости ВВП. Прогнозируется дальнейшее уменьшение энергоемкости ВВП в Украине с 1,13 кг условного топлива/грн в 2000 г до 0,31 – 0,51 кг условного топлива/грн, что составляет 27,4 – 44,8 % от уровня энергоемкости ВВП 2000 года.

Таким образом, стратегическая цель энергосбережения – снижение энергоемкости и повышение показателей энергоэффективности национальной экономики до уровня развитых стран мира. Предпосылкой для этого является использование апробированных в передовых странах подходов к энергосбережению. За счет последовательной политики энергосбережения появляется возможность высвободить значительные ресурсы в национальной экономике, так как предпринимаемые для ее реализации меры требуют относительно небольших затрат.

Система обеспечения энергосбережения

Основные положения Закона Украины «Об энергосбережении»

ВУкраине принят и действует Закон об энергосбережении, цель которого

–регулирование отношений между хозяйственными субъектами, государством и юридическими (физическими) лицами в сфере энергосбережения, связанной с добычей, переработкой, транспортировкой, хранением, производством и использованием топливно-энергетических ресурсов; обеспечение заинтересованности предприятий, организаций и граждан в энергосбережении, внедрении энергосберегающих технологий, разработке и производстве менее энергоемких машин и оборудования, закреплении ответственности юридических и физических лиц в сфере энергосбережения.

Основные принципы государственной политики энергосбережения:

•создание государством экономических и правовых условий заинтересованности в энергосбережении юридических и физических лиц;

•осуществление государственного регулирования деятельности в сфере энергосбережения на основе применения экономических, нормативнотехнических мер управления;

•приоритетность требований энергосбережения при осуществлении хозяйственной, управленческой или иной деятельности, связанной с добычей, переработкой, транспортировкой, хранением, производством и использованием ТЭР;

•научное обоснование стандартизации в сфере энергосбережения, нормирование использования ТЭР, необходимость соблюдения энергетических стандартов и нормативов при использовании топлива и энергии;

6

•создание энергосберегающей структуры материального производства на основе комплексного решения вопросов экономии и энергосбережения с учетом экологических требований, широкого внедрения новейших энергосберегающих технологий;

•обязательность энергетической экспертизы;

•популяризация экономических, экологических и социальных преимуществ энергосбережения, повышение общественного образовательного уровня в этой сфере.

Для обеспечения энергосбережения необходимо:

комплексное применение экономических стимулов;

определение источников и направлений финансирования энергосбережения;

создание базы для реализации экономических мер;

использование системы государственных стандартов в сфере энергосбережения при определении размеров предоставления экономических льгот

иприменении экономических санкций;

введение отчислений от стоимости фактически использованных предприятиями ТЭР;

введение платы за нерациональное использование ТЭР;

применение экономических санкций за расточительное расходование топлива и энергии;

предоставление юридическим и физическим лицам субсидий, дотаций, налоговых, кредитных и иных льгот за стимулирование разработок, внедрение и использование энергосберегающих технологий;

материальное стимулирование за эффективное использование и экономию ТЭР.

Для этих целей должен существовать фонд энергосбережения (предприятия, отрасли, местных и государственных органов, и др.), а также созданы внебюджетные фонды.

Экономические меры для обеспечения энергосбережения основываются на принципе взаимной экономической ответственности и предусматривают:

компенсационные выплаты и возмещение убытков потребителям ТЭР в случае невыполнения договорных условий топливо- и энергоснабжающими учреждениями;

возмещение убытков поставщикам ТЭР в случае невыполнения договорных условий потребителями.

Система обеспечения энергосбережения

Государственный контроль в сфере энергосбережения осуществляется в соответствии с порядком, установленным Кабинетом Министров Украины. Деятельность по управлению, контролю и другим функциям по энергосбережению возложена на Государственный комитет Кабинета Министров Украины по энергосбережению.

Методическое и научное обеспечение по эффективному использованию энергии и ТЭР в Украине производит Институт проблем энергосбережения НАН Украины.

7

С целью предотвращения изготовления и внедрения неэффективной техники, технологии, оборудования, устройств, связанных с добычей, переработкой, производством, транспортированием, хранением и использованием всех видов ТЭР, действуют Национальное агентство по вопросам эффективного использования энергоресурсов и энергосбережения и 25 региональных. Ос-

новной руководящий документ в работе инспекций – “Инструкция о порядке передачи документации и осуществлении государственной экспертизы по энергосбережению”.

Согласно Правилам пользования электроэнергией при выдаче энергопередающей организацией потребителю технических условий на подключение определяется также перечень требований по энергосбережению.

Основная цель государственных стандартов (ДСТУ) – обеспечить един-

ство требований к энергосбережению и уровням показателей эффективности использования ТЭР в различных сферах производства. Разработку стандартов ведет Технический комитет по стандартизации – “Энергосбережение”.

В основополагающих стандартах по энергосбережению изложены основные положения, соответствующие термины и определения. По сути, указанные стандарты являются своеобразной специализированной энциклопедией.

Таким образом, в Украине создана и действует система, которая обеспечивает необходимые условия для выполнения энергосберегающей политики.

ЛЕКЦИЯ 2 ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭКОНОМИИ ТОПЛИВА И ОБЩИЕ

ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЭНЕРГЕТИКИ

Генерирующие мощности Украины составляют около 51000,0 МВт и периодически изменяются. Такое положение объясняется уточнением паспортных данных отдельных энергоблоков в зависимости от их технического состояния, консервированием мощностей, выводом энергоблоков в капитальный ремонт или на модернизацию, а также вводом в действие новых энергетических мощностей.

Генерирующие мощности Украины можно представить в виде четырех структурных блоков, которые образуют объединенную энергетическую систему (ОЭС) страны.

В первый блок входят генерирующие компании «Днепроэнерго», «Донбассэнерго», «Центрэнерго» и «Западэнерго», в составе которых тепловые электростанции (ТЭС), главным образом, конденсационного типа (КЭС).

Второй структурный блок – это компания «Энергоатом», в состав которой входят Запорожская, Ровенская, Хмельницкая и Южно-Украинская атомные электростанции (АЭС).

Генерирующие компании «Днепрогидроэнерго» и «Днестрогидроэнерго» образуют третий блок, включающий только гидроэлектростанции (ГЭС).

Четвертый структурный блок – тепловые электростанции энергоснабжающих компаний, самостоятельные тепловые электростанции, промышленные тепловые электростанции, отделенные от ОЭС Украины, малые гидроэлектро-

8

станции и арендованные энергоблоки. Промышленные и самостоятельные тепловые электростанции представлены, главным образом, теплоэлектроцентралями (ТЭЦ).

В табл.2 приведены данные о мощности электростанций и выработке ими электроэнергии.

Показателем успешной работы электростанций является годовое число часов их использования для производства электроэнергии, которое можно определить как:

tг =WPв,

где W – выработка электроэнергии, млн. кВт·ч; PВ – мощность, участвующая в выработке электроэнергии, ГВт·ч.

ТЭС в Украине строились с учетом использования угольного топлива с теплотой сгорания 6600 ккал/кг, зольностью до 17% и содержанием серы, не превышающем 1,0%. В то же время теплота сгорания у используемого топлива снизилась до 3400 ккал/кг, зольность составляет 30 – 40%, а содержание серы достигает 3,0 %, что значительно усложняет процессы сжигания угля на ТЭС Украины.

Снижение качества угля требует использовать «благородные» виды топлива (газ, мазут), до 40% по тепловому эквиваленту, для активизации (подсветки) процесса горения высокозольного топлива, что увеличивает вредные выбросы в атмосферу.

Из-за отсутствия в достаточном количестве маневренных мощностей происходит значительный перерасход топлива, в том числе газа и мазута.

На рис.1 (ГМ) изображен график потребления электроэнергии, а на рис.2 – ее выработки.

Вид графиков свидетельствует о сложном характере режимов выработки и потребления электроэнергии, о необходимости для их реализации наличия маневренных электрических станций, а анализ показывает, что системы производства, распределения и снабжения электроэнергией и теплом в Украине являются крайне низкоэффективными.

Всоответствии с ДСТУ 3440-96 под энергетикой следует понимать область народного хозяйства, науки и техники, охватывающую энергетические ресурсы, производство, передачу, преобразование, аккумулирование, распределение и потребление различных видов энергии. Основой развития энергетики является первичная энергия – энергия, запасенная в топливно-энергетических ресурсах.

Впоследние два десятилетия в мировом балансе потребления топлива наметились изменения. Нефть начала терять свое лидирующего положение, возросла доля потребления природного газа и заметно поднялась роль угля.

Вразвитии угольной промышленности в этот период наметились определенные позитивные моменты. После наблюдавшегося в 1997 г. мирового спада объема потребления угля этот показатель в 2000 г. возрос на 44,9 млн. т.

По прогнозам специалистов многих стран мировые запасы угля по энергетическому эквиваленту в 5 раз превышают запасы нефти и газа. В США, на-

9

пример, считают, что у них угля хватит на 1000 лет, в России – на 700. По оценкам западных экспертов мировая потребность в угле к 2015 г. может вырасти в 2 раза и он станет основным энергоносителем на всю обозримую перспективу XXI в.

Кроме органического топлива, в энергетических расчетах необходимо учитывать еще гидроресурсы, т. е. электроэнергию, которую могли бы выработать гидроэлектростанции. Это составляет, примерно, 5 трлн. кВт ч в год, из них около 20% (1095 млрд. кВт ч) можно получить в странах СНГ, где кстати, используется менее 20% всего потенциала, что в 3 – 4 раза меньше, чем в Западной Европе. Однако даже при полной реализации мировых водных ресурсов они позволят лишь на 5 – 6% удовлетворить потребность планеты. Наряду с этим, надо учитывать при расчетах такие топливные ресурсы, как торф, дрова, которые в 60 – 70 годы в мировой баланс вносили до 250 млн. т условного топлива.

Использование энергии морских приливов, ветра, тепла недр нашей планеты, по прогнозу ученых-атомщиков, покроет около 2 % мировых потребностей. Эти источники в перспективе будут играть роль “малой энергетики” для обеспечения автономных маломощных потребителей в отдельных регионах многих стран энергией.

Глубинное тепло Земли в виде термальных вод также широко используется во многих странах для выработки электроэнергии и в качестве тепловой энергии в жилищно-коммунальном хозяйстве и лечебных целях. В государствах СНГ имеются многочисленные месторождения теплоресурсов, запасы которых оцениваются в 85 млн. м3 в сутки с температурой воды от 75 (Краснодарский край, Грузия) до 170 – 180°С (Камчатка, Россия). Это эквивалентно 130 – 140

млн. т стандартного топлива в год. Кстати, мощность всего теплового потока, поднимающегося из земных глубин, в 30 раз больше мощности всех электростанций мира.

Перспективным источником энергии является процесс разложения воды на кислород и водород под действием света и использование водорода (Н2) в качестве экологически чистого топлива. Работы в этой области уже получили практическое применение в Исландии, в столице Рейкьявике, где в апреле 2003 г. открыта первая в мире автозаправочная станция на водороде.

И все же основные источники энергии для человечества – нефть, газ, уголь с преобладающим использованием последнего. Топливо с каждым годом становится все дороже, и проблема энергосбережения, как одно из условий продления срока обеспеченности энергетическими ресурсами человечества, становится все острее.

Положение осложняется тем, что нефть, газ и уголь – не только топливо, но и ценнейшее химическое и технологическое сырье. Более того, существующая технология энергетики, основанная на сжигании этого топлива, наряду с «тепловым загрязнением» воздушного бассейна, сопровождается выбросами в атмосферу в год 20 млрд. т углекислого газа, более 200 млн. т окислов серы и азота, около 280 млн. т летучей золы и многих других отравляющих компонентов. Вследствие этого возникает парниковый эффект в приземном слое атмо-

10