Основы энергосбережения Поспелова ТГ 2000

номичных способов их промышленного преобразования, но особо актуальные сегодня ввиду их высокой экологичности.

Различают невозобновляемые и возобновляемые виды энергии и, соответственно, невозобновляемые и возобновляемые энергоресурсы.

Невозобновляемые энергоресурсы - это те, которые ранее были накоплены в природе и в новых геологических условиях практически не образуются, например, уголь, нефть, природный газ. Возобнов-

ляемые энергоресурсы - те, восстановление которых постоянно осуществляется в природе, например, энергия ветра, биотопливо, энергия морских волн и т. д. На классификационной схеме рис. 2.1 невозобновляемые и возобновляемые виды энергии обозначены, соответственно, белыми и серыми прямоугольниками.

Особое значение среди всех видов энергоресурсов имеет энергия Солнца, для которой существует два толкования. С одной стороны, все виды энергоресурсов - результат естественных преобразований солнечной энергии. Это и химическая энергия, запасенная в органическом топливе: под действием солнечных лучей хлорофилл растений разлагает углекислоту, поглощаемую из воздуха, на кислород и углерод; последний накапливается в растениях. Уголь, природный газ, торф, сланцы и дрова - это запасы лучистой энергии Солнца, извлеченные хлорофиллом в виде химической энергии. Энергия воды также получается за счет солнечной энергии, испаряющей воду и поднимающей пар в высокие слои атмосферы. Энергия ветра, используемая в ветряных двигателях, возникает в результате различного нагревания солнцем земли в разных местах. С Другой стороны, при более узком толковании под солнечной энергией имеют в виду непосредственно излучение Солнца на поверхность Земли. Солнце играет основную роль в тепловом балансе Земли. Мощность его излучения, приходящегося на Землю, во много раз больше мощности явлений природы и мощностей, получаемых и используемых человеком. На 1 км^ поверхности Земли приходится средняя мощность излучения Солнца равная 17-10'' кВт и средняя мощность использования первичных энергоресурсов равная примерно 19 кВт. Эти мощности значительно, почти в 10'' раз различаются между собой. Однако суммарная мощность всех электростанций мира - 2-10' кВт - уже соизмерима с мощностью многих явлений природы. Так, средняя мощность воздушных течений на планете составляет (25-35)-10' кВт. Такого же порядка средняя мощность урага-

НОВ - (3(М0)-10® кВт. Суммарная мощность приливов равна (2-5)-10' кВт. Проводя сопоставление мощностей, следует учитывать, что кроме стационарных электростанций имеется большое число передвижных энергетических установок. Например, мощность всех действующих пассажирских самолетов на планете составляет не менее 0,15-10' кВт, что соизмеримо с мощностью всех электростанций стран СНГ.

Различные виды энергетических ресурсов обладают разным качеством, которое характеризуется энергоемкостью топлива. Удельной энергоемкостью называется количество энергии, приходящееся на единицу массы физического тела энергоресурса.

Для удобства сопоставления различных видов энергоресурсов и возможности расчетов расход всех видов топлива сравнивается с расходом так называемого условного топлива. За условное принято такое топли-

во, при сгорании 1 кг которого выделяется 29,3-10' Дж, или 7000 ккал энергии. В табл. 2.1 приведены значения удельной энергоёмкости для ряда энергетических ресурсов в сравнении с условным топливом.

Видно, что высокой энергоемкостью обладают газ и нефть, что во многом и определило их хищническое потребление. Быстрый рост потребления нефти как топлива в XIX-XX столетиях был обусловлен тремя основными причинами:

-развитием транспорта всех видов; для автомобильного и авиационного транспорта жидкое топливо пока незаменимо;

-значительно лучшими технико-экономическими показателями добычи, транспортировки и использования нефти по сравнению с твердым топливом;

-ВОЗМОЖНОСТЬЮ получать большие прибыли за счет эксплуатации нефтяных месторождений развивающихся стран.

Ограниченность природных запасов нефти и газа, их невоспроизводимость определяют недопустимость ориентировки на них как на энергетическое сырье; это ценнейшее сырье химической промышленности, которая, к сожалению, сегодня использует лишь 3-5% от добытых запасов.

Весьма перспективным видом топлива, обладающим в три раза большей удельной энергоемкостью по сравнению с нефтью, является водород, научно-экспериментальные работы по изысканию экономичных способов промышленного преобразования которого активно ведутся в настоящее время как в нашей стране, так и за рубежом. Запасы водорода неистощимы и не связаны с каким-то регионом планеты. Водород в связанном состоянии содержится в молекулах воды Н^О. При его сжигании образуется вода, не загрязняющая окружающую среду. Водород удобно хранить, распределять по трубопроводам и транспортировать без больших затрат.

В настоящее время водород в основном получают из природного газа, в ближайшем будущем его можно будет получать в процессе газификации угля. Для получения химической энергии водорода используется также процесс электролиза. Последний способ имеет значительное преимущество, так как приводит к обогащению кислородом окружающей среды. Широкое применение водородного топлива может решить три актуальные проблемы:

-уменьшить потребление органического и ядерного топлива,

-удовлетворить возрастающие потребности в энергии,

-снизить загрязнение окружающей среды.

2.2.ЭНЕРГЕТИЧЕСКИИ КРИЗИС: СУТЬ И ПРИЧИНЫ

внастоящее время ежегодно расходуемая всеми странами мира энергия, получаемая из всех доступных источников, составляет 0,1% от возможных для использования запасов угля, природного газа и нефти, вместе взятых. Но потребление энергетических ресурсов всех видов быстро растет. В конце XIX в. появились первые автомобили.

Их было несколько сот, и бензина им требовалось меньше сотни тонн в день. А сегодня только для легковых автомобилей нужен миллион тонн в сутки. Сколько же нужно добыть и переработать нефти! Чтобы добытьруду, выплавить металл, построить дом, сделать любую вещь, нужно затратить энергию.

Получить энергию, пригодную для использования, можно только за счет ее преобразования из других форм. Вечные двигатели невозможны. Четыре из каждых пяти произведенных сегодня киловатт-чадов энергии получаются в принципе тем же способом, которым пользовался первобытный человек для согревания, то есть сжиганием топлива, использованием запасенной в нем химической энергии, которая затем преобразуется в электрическую энергию на современных тепловых электростанциях, Конечно, способы сжигания топлива стали намного совершеннее, но главное сохранилось: в топки тепловых электростанций уходит более 30% добываемого в мире топлива, и лишь около трети его идет на получение электроэнергии. Остальная, большая часть энергии, запасенной в топливе, безвозвратно теряется. Запасы органического топлива: нефти, газа и угля - наиболее популярных в современной энергетике,- весьма ограниченны. Рано или поздно они будут исчерпаны. На какой срок их хватит? Чтобы ответить на этот вопрос, надо оценить, каковы ресурсы органического топлива на Земле.

Ресурсы органического топлива разделяются на общие - имеющиеся в недрах земли и извлекаемые - доступные для извлечения человеком. Практически невозможно добыть и использовать все 100% топлива, имеющегося в данном месторождении. Коэффициент извлечения, определяющий долю данного вида энергоресурсов, потенциально возможную в настоящее время к извлечению, к его общим запасам, зависит от следующих факторов:

-вида топлива,

-характера месторождения,

-развития техники добычи.

Приведем значения коэффициента извлечения для наиболее употребляемых первичных энергоресурсов: нефти - 0,3-0,4; природного газа - 0,5-0,8; угля - 0,25-0,5. Столь низкий коэффициент извлечения для угля объясняется особенностями залегания его пластов, которые могут быть весьма тонки, лежать глубоко под уровнем земли и быть слож-

ны для добычи. Специалисты оценивают имеющиеся извлекаемые ресурсы органического топлива Земли в 4000 млрд. тонн условного топлива (т. у. т.). Много это или мало?

В1980 г. потребление всех видов энергетических ресурсов всеми странами мира составило примерно 4 млрд. т. у. т., т. е. 0,1% от возмож-' ных для использования органических энергоресурсов. Что касается прогноза на будущее, то эксперты полагают, что потребление всех видов энергетических ресурсов на Земле в 2000 г. составит около 8 млрд. т.у.т. Если принять эту цифру, то запасов только органического топлива человечеству хватило бы еще на 200-400 лет. При этом мы не учитываем атомную энергетику с ее запасами ядерного горючего, гидроэнергетические, а также возобновляемые источники энергии: Солнце, тепло глубинных слоев Земли и др.

Вкакой мере ресурсы ядерного горючего могут повлиять на обеспечение человечества энергией? Поскольку торий пока не нашел практического применения в энергетике, следует оценить только ресурсы урана. Уран широко распространен на Земле. Но концентрация его в граните и других породах, а также в морской воде очень невелика. Чем меньше содержание урана в руде, тем дороже его получать. Поэтому, оценивая ресурсы урана, выбирают допустимую цену за 1 кг природного металлического урана и ориентировочно рассчитывают, какое количество природного урана может быть добыто при этой цене. Расчеты специалистов США показывают, что ресурсы извлекаемого ядерного топлива очень велики. Если ограничить цену 1 кг добываемого природного урана $200 и использовать реакторы на тепловых нейтронах, то ресурсы природного урана примерно равны извлекаемым ресурсам органического топлива: угля, нефти и газа вместе взятым. Если же принять максимально допустимую цену за 1 кг природного урана равной $500 и считать, что будут использоваться реакторы на быстрых нейтронах, то извлекаемые ресурсы природного урана оказываются в 1000 раз больше извлекаемых запасов органического топлива.

Таким образом, ресурсы органического и ядерного топлива очень велики, и человечеству не придется столкнуться с энергетическим голодом. Тем более что наука непрерывно ищет и находит новые технические решения преобразования энергии. В чем же тогда причины возникновения и суть современных энергетических кризисов?

Энергетический кризис, как правило,- следствие экономического и политического кризисов в стране и вызван нерациональной структурой топливно-энергетической базы экономики. Это наглядно иллюстрируют энергетический кризис 70-80-х гг., охвативший высокоразвитые страны Западной Европы, США, Японию, и сегодняшний энергетический кризис, разразившийся в странах СНГ.

Органическое и ядерное топливо - невозобновляемые источники энергии. Но пока потребление энергии было не так уж велико, о невозобновляемости их особенно не вспоминали. В 70-80-х гг потребление энергии стало соизмеримо с ресурсами органического топлива. Миллионы лет понадобилось природе, чтобы создать запасы нефти, газа, угля, расходуются же они несравненно быстрее.

Наиболее остро стоит вопрос с нефтью. Из-за нее вспыхивают войны, сменяются правительства. Быстрое развитие автомобильного транспорта и авиации, использующих в качестве топлива практически только продукты нефтепереработки (бензин, дизельное топливо, керосин), привело к большому увеличению потребления нефти. В 1970 г доля нефти и газа в потреблении органического топлива поднялась почти до 70%, хотя в ресурсах органического топлива нефть и газ составляют менее 20%. Повышение мировых цен на нефть, неравномерность распределения ее запасов между странами мира подчеркивают неоправданность ее гипертрофированно высокого потребления по сравнению с другими источниками энергии. Международный картель, состоящий из 7 монополий, практически полностью контролировал добычу нефти в странах Арабского Востока и прочно захватил доминирующие позиции на рынках государств - потребителей нефти. Этот картель в целях извлечения максимальных прибылей тормозил работы по использованию других видов энергии. В связи с этим до 70-х гг экономика стран Западной Европы, США, Японии была практически целиком ориентирована на потребление нефти и газа. Сокращалась добьиа каменного угпя, закрывались шахты, придерживалось развитие атомной энергетики. Однобокое развитие энергетических ресурсов на фоне межгосударственной конкуренции межДУ Монополиями привело к острому энергетическому кризису в этих странах, на долю которых приходилось 92% потребления энергии. Кризис резко ускорил инфляцию, резко снизил темпы развития промышленности и оставил без работы миллионы рабочих.

образом изменяя структуру топливно-энергетической базы экономики путем переориентации ее на другие источники. Например, Франция создала систему мощных АЭС; Дания переориентировалась на собственный природный газ, каменный уголь, завозимый на огромных танкерах через океан, ветроэнергоресурсы.

Введем еще два важных понятия для дальнейшего обсуждения проблем энергетического менеджмента и энергосбережения: вторичные и конечные энергоресурсы.

Вторичными энергоресурсами называются энергоносители, полученные после промышленного преобразования первичных энергоресурсов. Например, электрическая и тепловая энергия, полученная в результате сжигания органического топлива на тепловых электростанциях, механическая энергия, полученная в двигателях внутреннего сгорания в результате сжигания бензина, и т. п.

Конечными энергоресурсами называются энергоресурсы, непосредственно потребляемые после их доставки конечными потребителями. Например, электрическая энергия в приводе станков и роботов на заводах, в бытовых и осветительных приборах в Ваших квартирах, тепловая энергия горячей воды для отопления и водопроводных систем производственных и жилых помещений и т. д. Понятно, что если потребление энергоресурса происходит в месте его добычи или преобразования, энергоносители конечной энергии совпадают с первичными или вторичными энергоресурсами. Это характерно, прежде всего, для автономных источников энергии (автотранспорт, летательные аппараты и т. д.).

2.3. СТРУКТУРА МИРОВОГО ПОТРЕБЛЕНИЯ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ (ТЭР)

При планировании национальной энергетики необходимо учитывать, с одной стороны, мировые тенденции в потреблении топливноэнергетических ресурсов (ТЭР), с другой - наличие собственных первичных энергоресурсов и особенности национальной экономики.

Прогнозы, сделанные в 80-х гг., обещали к 2020 г. дальнейшее быстрое уменьшение потребления нефти и газа - соответственно до 20% и 8-12%. Предполагалось, что это будет достигнуто благодаря росту потребления угля до 32%, значительному вовлечению в ТЭБ ядерного горючего - 36-40%, использованию возобновляемых источников энергии. Однако реальные тенденции изменений в структуре мирового топливно-энергетического баланса на 2020 г. оказались несколько иными. По прогнозам 90-х гг., доля твердого органического топлива, прежде всего угля, будет, как и предполагалось в 80-х гг, составлять 32%, а вот доля потребления нефти снизится на меньшую величину, чем ожидалось ранее, и будет составлять 27%. Доля газа даже увеличится по сравнению с уровнем 1980 г. и будет равна 23%. Такие изменения тенденций связаны в первую очередь с появлением определенного недоверия к атомной энергетике из-за катастрофических последствий аварии на Чернобыльской АЭС и ряде других неприятных эксцессов на атомных промышленных объектах. В настоящее время разрабатываются принципиально новая концепция безопасности больших производственных систем и соответствующие ей новые поколения ядерных реакторов и проектов АЭС повышенной безопасности. Тем не менее, психологическое недоверие значительной части населения к атомной энергетике, радиофобию преодолеть не так просто. Кроме того, успехи применения энергосберегающих мероприятий и технологий в 80-90-х гг., обещающие разработки в области производства электроэнергии на базе газотурбинных, парогазовых установок, новые интеграционные процессы международного взаимодействия в области энергетики и экологии привели к наблюдающимся сегодня тенденциям в структуре мирового потребления ТЭР. Согласно им, доля ядерного топлива к 2020 т. будет составлять всего 5-6%. На долю энергосбережения и возобновляемых источников энергии придется 12-14%, причем из них 9-10% будет покрываться за счет энергосбережения.

Как видим, роль энергосбережения весьма существенна и со-

измерима со значением других традиционных источников энергии в покрытии энергетических потребностей человечества, К

тому же энергосбережение позволяет избежать разработки новых угольных месторождений, бурения нефтяных скважин, ввода новых