11.3. Обновление энергосистем

Для производства тепловой и электрической энергии потребляется

громадное количество природных ископаемых ресурсов: нефти, природ-

ного газа и угля. К настоящему времени многие энергосистемы, произво-

дящие тепло и электроэнергию, устарели. Тепловой КПД (КПД с учетом

используемой тепловой энергии) большинства из них не превышает 35%

при работе на газе, а при использовании угля он еще меньше. В то же вре-

мя в уже эксплуатируемых энергосистемах — парогазовых установ-

ках — тепловой КПД достигает не менее 60% и в системах с эффектив-

ным сжиганием угля он равен 40—50%. Следовательно, переход к таким

системам приведет к чрезвычайно большой экономии природных энерго-

ресурсов.

Принцип работы многих видов энергосистем основан на преобразова-

нии тепла, выделяющегося при сжигании топлива. В настоящее время в

качестве топлива используют природный газ и нефтепродукты. Чтобы

сберечь эти ценнейшие природные ресурсы для более рационального

применения — производства разнообразной ценной химической продук-

ции в течение более длительного времени, — нужно переходить на аль-

тернативные источники топлива. Один из таких источников — каменный

уголь, долгое время верой и правдой служивший топливом для паровых

машин. Низкий КПД таких машин привел к их замене, а вместе с ними и

топлива. Тем не менее в энергетике ряда стран Центральной и Восточной

Европы до сих пор уголь играет важную роль: с его применением произ-

водится около 65% электроэнергии. Устаревшие тепловые электростан-

ции, потребляющие уголь, вне зависимости от того, где они эксплуатиру-

ются, нуждаются не только в переоснащении и модернизации, но и в но-

вой технологии сжигания угля. Разработке таких технологий уделяется

большое внимание. Одна из перспективных технологий основана на сжи-

гании угля в циркулирующем кипящем слое. В результате многократной

438

циркуляции происходит более эффективное сжигание частиц топлива

при температуре 800—900 °С и резко снижается образование вредных ок-

сидов азота.

Сбережению нефти, природного газа и угля способствует применение

самого энергоемкого ядерного топлива: энергия единицы его массы в

миллионы раз больше, чем, например, угля. Внедрение перспективной

технологии преобразования ядерного топлива в реакторе-размножителе

на быстрых нейтронах, не только вырабатывающем энергию, но и произ-

водящем вторичное топливо, открывает возможности дальнейшего раз-

вития атомной энергетики.

По мере обновления любой энергосистемы одновременно решаются

три важные задачи: экономия топлива, производство дешевой энергии и

сохранение окружающей среды. Наряду с обновлением энергосистем не

менее важна разработка перспективных технологий преобразования

энергии Солнца, ветра, геотермальных источников и Мирового океана.

11.4. Эффективное потребление энергии

Сохранение тепла и сбережение энергии. Всем понятно: сохране-

ние тепла в жилых домах, различных помещениях и сбережение энергии

в быту, на производстве и транспорте — есть прямой путь сохранения

природных ресурсов. Современный уровень развития естествознания и

наукоемких технологий позволяет строить дома с относительно неболь-

шим потреблением энергоресурсов вне зависимости от климата и выра-

щивать тропические растения в суровых климатических условиях. Мно-

гим кажется, что все это относится к потенциальным возможностям и

благим намерениям. Однако такое мнение ошибочно: уже возводятся

тропические сады и строятся почти сказочные жилые дома. Попытаемся

убедиться в этом.

В Скалистых горах Западного Колорадо США в штаб-квартире Ин-

ститута Рокки Маунтин, на высоте 2200 м над уровнем моря расположена

банановая ферма с пассивным солнечным освещением. Здесь растут ба-

наны, хотя эта зона и климат совсем не подходят для их выращивания,

ведь иногда температура опускается до — 44 °С. Сезон роста растений

между сильными морозами составляет 52 дня, а заморозки могут слу-

читься даже в июльский день. Солнечная погода неустойчива — в сере-

дине зимы насчитывается до 39 облачных дней, а иногда за декабрь и ян-

варь бывает не более семи солнечных дней. Тем не менее в январе, в ме-

тель и непогоду созревают бананы, апельсины, а с приближением весны,

когда дни становятся длиннее, джунгли покрываются растительно-

стью — появляются авокадо, манго, виноград и т.п. И все же здесь нет

традиционной малоэффективной системы отопления. Две небольшие

439

печки, рассчитанные на сжигание дров, используются время от времени

для обогрева или просто для приятного отдыха. Они дают около 1 % теп-

ла, требуемого для обогрева обычного дома в этом районе, а остальное яв-

ляется пассивным солнечным теплом. Даже в пасмурные дни солнечное

тепло улавливается специальными окнами, обеспечивающими теплоизо-

ляцию, равноценную 12 листам стекла: прозрачные бесцветные окна про-

пускают внутрь 3/4 видимого света и половину всей солнечной энергии, но

практически не позволяют теплу бесполезно рассеиваться. Пенопласто-

вая изоляция внутри каменных стен и крыши по крайней мере вдвое

уменьшает тепловые потери. Свежего воздуха достаточно — он предва-

рительно подогревается теплообменниками, возвращающими 3/4 тепла,

которое обычно уносится при проветривании помещения.

Сколько же стоила вся эта теплоизоляция? Дополнительные затраты

были перекрыты экономией при строительстве дома без традиционной

системы отопления и воздуховодов. Сэкономленные деньги и еще

16 долл./м2 истрачены для сбережения 50% расходуемой воды, 99% энер-

гии нагревания воды и 90% — для бытовой техники. При тарифе в

0,07 долл./кВт • ч счет за всю потребляемую бытовую электроэнергию

составляет примерно 5 долл./мес.

Дневной свет, поступая со всех сторон, обеспечивает 95% необходи-

мого освещения; сверхэкономичные лампы сберегают 3/4 энергии, требуе-

мой для дополнительного освещения. Яркость ламп регулируется в зави-

симости от интенсивности дневного света, а когда в комнате никого нет,

они автоматически выключаются. Холодильник потребляет только 8%, а

морозильная камера — 15% электроэнергии, необходимой для обычного

холодильника. Такой экономичный холодильник снабжен эффективной

изоляцией, и его система охлаждается в течение полугода наружным воз-

духом. Стиральная машина новой конструкции экономит около 2/3 воды и

3/4 порошка, стирает качественнее и продлевает срок службы белья и оде-

жды. Газовая кухонная плита сберегает энергию благодаря применению

швейцарской керамической посуды с двойной стенкой и британского

чайника, теплоизоляция которых позволяет сэкономить треть потребляе-

мого газа и уменьшить время приготовления пищи и кипячения воды. Вне

помещения изолированная пассивно-солнечная фотоэлектрическая фер-

ма помогает поросятам набирать вес, а курам нести яйца, поскольку им не

440

приходится затрачивать слишком много энергии на поддержание темпе-

ратуры собственного тела.

Затраты на электроснабжение окупаются за первые 10 месяцев. В

дальнейшем энергосбережения пойдут на оплату всего здания в течение

40 лет. Такое здание должно прослужить по крайней мере в 10 раз дольше

обычного. По его ориентации на юг и по необычной форме изогнутых ка-

менных стен археологи будущих поколений, вероятно, придут к выводу о

том, что они обнаружили храм первобытного поклонения Солнцу.

Возведенное в Скалистых горах здание, объединяющее под одной

крышей научно-исследовательский центр с 20 рабочими местами и фер-

му, посетили десятки тысяч гостей. Большинство из них отмечают: самая

важная особенность здания в том, что оно помогает его обитателям лучше

себя чувствовать и лучше работать. Действительно, естественное освеще-

ние, здоровый воздух, приятный шум водопада, настроенный на аль-

фа-ритм человека и оказывающий успокаивающее действие, отсутствие

механических шумов, зеленая растительность джунглей — все это созда-

ет в обычных условиях поистине райскую атмосферу для жизни. Конеч-

но, некоторые детали этого дома можно было бы совершенствовать, но

основные принципы его планировки и строительства продолжают волно-

вать воображение.

В 1983 г. Швеция ввела стандарт на тепловую изоляцию: макси-

мально допустимые тепловые потери для домов не должны превышать

60 кВт • ч/м2 в год. В Германии, например, дома обычно в среднем теряют

200 кВт • ч/м2 в год. И все же шведский стандарт можно значительно

улучшить. Это доказывает один из наиболее ярких примеров — пассив-

ный дом, построенный в Дармштадте, в 50 км южнее Франкфурта.

Потребность в дополнительном тепле для этого дома не превышает

15 кВт • ч/м2 в год. Для него требуется на 90% меньше электроэнергии,

чем обычным немецким домам той же площади, но при этом обеспечива-

ется более высокий уровень комфорта.

Можно привести примеры экономичных домов не только для холод-

ного, сурового, но и для жаркого, тропического климата. А это означает,

что ни холод, ни жара, ни влажность не являются препятствием для зна-

чительного энергосбережения при отличном комфорте и рентабельности.

Экономия электроэнергии. В большинстве промышленно развитых

стран 30—50% электроэнергии потребляется бытовыми электроприбора-

ми для нагревания воды, освещения, вентиляции и т.п. Тщательный ана-

лиз показывает, что можно поддерживать современный уровень бытовых

услуг (охлаждение, чистку, стирку, уборку и т.д.), используя лишь 20%

электроэнергии, потребляемой в настоящее время. Например, благодаря

усовершенствованию компрессора, системы охладителя, регулятора тем-

пературы и улучшению изоляции годовое потребление энергии датским

441

200-литровым холодильником уменьшилось с 350 до 90 кВт • ч. Приме-

нение вакуумной изоляции в голландском холодильнике сокращает энер-

гопотребление до 30 кВт • ч в год.

Лучшее датское кухонное оборудование в 1988 г. потребляло около

400 кВт • ч в год. Новейшие передовые технологии позволили уменьшить

эту цифру до 280, и это не предел. Такой эффект достигается благодаря

простым усовершенствованиям — улучшению термоконтакта между на-

гревательным элементом и кастрюлей, термоизоляции духовки и т.п.

Примерно половина энергии на освещение в США и существенно боль-

шая часть в развивающихся и бывших социалистических странах потреб-

ляется лампами накаливания, конструкция и устройство которых практи-

чески не изменились за более чем полувековой период. Такие лампы по

существу являются электронагревателями — менее 10% потребляемой

энергии в них излучается в виде света. В настоящее время почти все лам-

пы накаливания можно заменить люминесцентными. Одна 18-ваттная

компактная люминесцентная лампа, заменяющая 75-ваттную лампу на-

каливания, способна на протяжении своего срока службы сэкономить

около 200 л нефти, потребляемой электростанцией на жидком топливе,

или предотвратить выброс в атмосферу 1 т двуокиси углерода, 4 кг оки-

слов серы и 1 кг окислов азота, не считая других выбросов от работающих

на угле станций.

Люминесцентные лампы — это не единственное средство экономии

электроэнергии на освещении. Крупные лампы накаливания лучше

заменять металлогалогенными или натриевыми лампами высокого давле-

ния. В последнее время большое внимание уделяется осветительным

приборам на основе светодиодов, существенно сокращающих потребляе-

мую энергию. В 1997 г. изготовлен светодиод, излучающий белый свет.

Белый светодиод площадью менее 1 см2 излучает такой же свет, как и

80-ваттная лампочка, при этом потребляемая мощность составляет лишь

3 Вт. Ресурс средней лампочки накаливания — 1000—1500, а светово-

да — 50 тыс. ч. По мере совершенствования технологии изготовления се-

бестоимость световодов уменьшится, и они сэкономят немало энергии.

Внедрение уже выпускаемого промышленностью инфракрасного датчи-

ка, с помощью которого включается свет при входе человека в помеще-

ние и выключается при его выходе, позволит навсегда забыть известное

многим напоминание «уходя, гасите свет».

С развитием информатизации общества персональный компьютер

становится предметом массового пользования. Потребляемая мощность

широко распространенного компьютера составляет около 150 Вт. При-

мерно половина ее приходится на цветной монитор. Более эффективные

мониторы с теми же характеристиками потребляют в несколько раз мень-

ше энергии. Дисководы жесткого диска, произведенные в прошлом деся-

442

тилетии, расходуют в 5—10 раз больше энергии, чем современные. Неко-

торые модификации портативных компьютеров потребляют всего не-

сколько ватт, но по своим возможностям не уступают настольным персо-

нальным компьютерам.

С помощью компьютера создаются электронные книги и каталоги

больших объемов, что приводит к экономии бумаги, на производство

которой требуется огромная масса древесины и громадное количество

энергии. Кроме того, компьютер открывает большие возможности элек-

тронной почты, позволяющей по сравнению с обычной почтой косвенно

экономить энергию. В последние десятилетия интенсивно развивается

еще один вид компьютерных услуг — Интернет, открывающий новые го-

ризонты применения информационных технологий. При этом сокращает-

ся не только время поиска и передачи информации, но и материальные, и

энергетические ресурсы для их реализации.

Энергоснабжение на промышленных предприятиях. Промышлен-

ные предприятия, выпуская ту или иную продукцию, потребляют боль-

шое количество природных ресурсов и энергии. Поэтому к современным

предприятиям предъявляются требования не только производить высоко-

качественную продукцию, но и экономно расходовать природные ресур-

сы, сберегать энергию и тем самым сохранять окружающую среду. Тех-

ническое оборудование любого промышленного предприятия со време-

нем устаревает. Новые технологии требуют кардинального обновления

устаревшего оборудования, т.е. модернизации технической базы про-

мышленности в целом. Современная промышленность включает множе-

ство отраслей, связанных с производством разнообразных материалов,

автомобильной и авиационной техники, технических средств связи, стан-

ков, инструментов и многого другого. Промышленных отраслей много, и

каждая из них имеет свою специфику. Однако способы модернизации

промышленных предприятий разных отраслей принципиально не разли-

чаются и направлены в основном на экономию сырья и энергии при повы-

шении качества выпускаемой продукции.

Промышленные предприятия — один из основных потребителей

энергии. Даже небольшая доля сбереженной на них энергии приводит к

значительной экономии. Способы экономии энергии в технологическом

процессе производства той или иной продукции чаще всего известны, но

не всегда внедряются.

Что же нужно сделать, чтобы они внедрялись и приносили доход?

Возможны различные пути решения данной задачи. Например, совсем не

сложный путь выбрала одна из химических компаний США. В ней в тече-

ние 12 лет — с 1981 по 1993 г. — ежегодно для сотрудников, занимаю-

щих место не выше контролера, объявлялся конкурс на проект по элек-

443

тросбережению. Важное условие конкурса: энергосбережение или сокра-

щение потерь должно окупаться в течение одного года при первичных

затратах, не превышающих 200 тыс. долл. Представленные проекты тща-

тельно проверялись. И вот результат — за 12 лет доход от 575 проектов в

среднем составил 204% в год при общей экономии 110 млн. долл. в год.

Во многих случаях энергосбережение и сокращение потерь основаны

на внедрении передовых технологий, рожденных в недрах важнейших

достижений современного естествознания. Открываются новые свойства

вещества, синтезируются необычные химические соединения, а из них

производятся уникальные материалы — все это составляет основопола-

гающую базу для прогрессивного развития любого производства и в ко-

нечном результате способствует гармоничному сочетанию деятельности

человека и природы.

11.5. ЭКОНОМИЯ МАТЕРИАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ

Один из важнейших путей энергосбережения ресурсов связан с эф-

фективным использованием материалов в процессе производства про-

дукции. Конечно, разные производства отличаются своей спецификой

потребления материалов. Поэтому легче проследить за производством и

потреблением материалов, скажем, на предприятиях автомобильной про-

мышленности, которая, например, в США составляет — по числу заня-

тых и по уровню расходов и — валового национального дохода. Автомо-

бильная промышленность потребляет примерно 70% свинца, 60% рези-

ны, ковровых покрытий и ковкого чугуна, 40% инструментальных мате-

риалов и платины, 34% железа, около 25% алюминия, цинка, стекла и

полупроводниковых материалов, 14% стали и 10% меди. За последние де-

сятилетия потребление этих материалов изменялось незначительно: на-

пример, с 1984 по 1994 г. средний американский автомобиль стал на 1%

тяжелее, в нем до 3% пластмасс и цветных металлов.

Современный автомобиль, весящий не менее тонны, перевозит не

только пассажиров и полезный груз, но и самого себя, на что расходуется

много топлива. Кроме того, производство автомобиля сопровождается

громадным потоком сырья, материалов, готовых изделий. Расчеты пока-

зывают, что для изготовления только одного автомобиля необходимо пе-

ревезти более 1520 т груза, включающего добываемое сырье, материалы,

детали и т.п. С появлением сверхлегких автомобилей такой поток суще-

ственно уменьшится. Предполагается, что благодаря переходу к поли-

мерным и композиционным материалам можно уменьшить массу авто-

мобиля примерно в 3 раза.

444

Сверхлегкий автомобиль по сравнению с американским автомобилем

1994 г. будет содержать: вдвое больше композиционных и полимерных

материалов, на 1/8 меньше меди, на 9/10 меньше железосодержащих метал-

лов, на 1/3 меньше алюминия, на 2/3 меньше резины, на 4/5 меньше платины и

нетопливных жидкостей. Такой автомобиль будет весить 400—500 кг.

Его создание потребует существенной модернизации практически всех

систем, включая двигатель, систему трансмиссии и др.

Можно привести и другие примеры эффективного использования ма-

териалов. Так, при замене бетонных опор линии электропередачи сталь-

ными достигается шестикратное увеличение эффективности использова-

ния материалов. На бетонные опоры требуется в 3 раза больше материа-

лов, чем на стальные, которые служат в два с лишним раза дольше, и их

можно производить из чугунного и стального лома, что приводит к даль-

нейшей экономии.

Важнейший природный ресурс — пресная вода. Приведем некоторые

примеры рационального ее потребления. Примерно в 1,6 раза повышает-

ся эффективность использования воды при подпочвенном капельном

орошении, при котором с помощью линий орошения, расположенных на

глубине 20—25 см, подается небольшое количество воды в зоне корневой

системы растений. При этом поверхность почвы остается сухой, что

уменьшает поверхностное испарение и уменьшается объем стока и про-

сачивания воды в глубину.

Чрезвычайно большое количество воды расходуется при производст-

ве бумаги и картона. Так, в 1900 г. производители бумаги в Европе по-

требляли примерно 1 т воды на 1 кг продукции. К 1990 г. потребление

воды уменьшилось более чем в 15 раз и составило 64 л, из которых 34 л

шло на производство целлюлозы и 30 л — на изготовление бумаги и кар-

тона из целлюлозы. Благодаря дальнейшему совершенствованию техно-

логического цикла и в результате роста платежей за сточную воду, напри-

мер, в Германии расход воды сокращен до 20—30 л, а на одной из совре-

менных бумажных фабрик удалось совсем исключить сточные воды из

производства упаковочной бумаги. Требуется лишь небольшое количест-

во воды для компенсации испарений и улучшения механохимических

свойств бумаги. В результате расходуется не более 1,5 л пресной воды на

1 кг упаковочной бумаги.

Можно существенно повысить эффективность бытового потребления

воды. В настоящее время, например, в США на одного человека в сутки

расходуется около 300 л воды только внутри жилого дома. Внедрение но-

вого сантехнического оборудования, в частности шведского туалета с

расходом 3 л на слив, более эффективных посудомоечных и стиральных

445

машин, а также использование в ряде случаев дождевой воды и другие

меры могут в несколько раз сократить бытовое потребление воды.

Руководители многих современных промышленных предприятий по-

нимают, что уменьшение потоков материалов в производстве, устране-

ние их потерь и превращение отходов в ценные продукты — это выгод-

ный путь увеличения прибыли, ведущий к рациональному использова-

нию материалов и одновременно к сохранению окружающей среды.

Анализ специалистов показывает, что такой традиционный материал

как древесина, более надежен и долговечен, чем бетон. Древесина — это

удивительный строительный материал. На его производство идет менее

одной четверти энергии, потребляемой для производства бетона. Древе-

сина — восстанавливаемый материал: на месте вырубленного леса про-

изводят посадку молодых деревьев. Часто строят дома из бревен традици-

онным способом, который не предусматривает экономию древесины. В

результате применения более оптимальной конструкции дома в сочетании

с хорошими теплоизоляционными материалами — минеральной ватой и

стекловолокном — экономятся энергия и материальные ресурсы. В произ-

водстве мебели для изготовления столярных изделий широко используют

древесные плиты, получаемые в результате прессования и склеивания мел-

ких частиц. При этом можно использовать отходы древесины и непригод-

ные для строительства и производства мебели материалы.

Следует упомянуть еще об одном широко распространенном виде ма-

териалов — пластмассах. Они постепенно вытесняют другие материалы,

и объем их производства постоянно растет. В этой связи возникает серь-

езная проблема утилизации отработанных или использованных пласт-

массовых изделий. Пластмасса не подвергается гниению, а при ее сжига-

нии выделяются хлор, диоксин и другие токсичные вещества. Выход

один — надо искать альтернативный вид материала. И один из таких ви-

дов найден — это белланд. Он обладает очень ценным свойством: при во-

дородном показателе рН немного выше семи он растворяется в воде. Ему

присущи все основные качества пластмассы: прозрачность, эластичность

и различная жесткость, что позволяет использовать его для производства

как мягких упаковочных, так и прочных изделий. При добавлении несколь-

ких капель лимонной кислоты или другого безвредного вещества белланд

коагулирует. Выпавший осадок можно собрать и превратить в гранулы для

дальнейшей переработки. Переработанный таким образом материал обла-

дает теми же свойствами, что и исходный, а для его переработки требуется

гораздо меньше энергии, чем для первоначального синтеза.