Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
3. КРАТКИЙ КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
ТЕМА 1. ВВЕДЕНИЕ
1.1. Предмет, основные понятия и определения
Человечество не может существовать, не потребляя энергию. С помощью энергии оно удовлетворяет свои потребности в пище, жилье, комфорте, т.е. обеспечивает свою жизнедеятельность. Энергетика является движущей силой цивилизации. Неоспоримым является утверждение, что чем больше энергии потребляет то или иное государство, тем выше уровень развития техники и уровень жизни населения.
Энергия является важнейшим элементом устойчивого развития любого государства. Каждый виток вверх по спирали исторического развития человечества сопровождается более высоким уровнем потребления энергии. Подсчитано, что за 20-е столетие общее потребление первичных энергоресурсов в мире увеличилось в 13,5 раз, достигнув в 2000 году 13,5 млрд. т У.Т. Такие темпы расходования первичных энергоресурсов грозят быстрому истощению природных запасов. Мировой энергетический кризис 70-х годов заставил многие страны пересмотреть свое отношение к потреблению энергоресурсов и вплотную заняться проблемами энергосбережения и рационального использования энергетических ресурсов. Вопросами эффективного использования энергетических ресурсов и энергии при добыче, производстве, передаче, распределении и потреблении занимается одно из направлений энергетики – энергосбережение.
Рассмотрим основные понятия, которые в дальнейшем часто будут использоваться при изучении дисциплины "Основы энергосбережения". Некоторые из этих понятий приведены в 1-ой статье Закона Республики Беларусь «Об энергосбережении».
Энергосбережение - организационная, научная, практическая, информационная деятельность государственных органов, юридических и физических лиц, направленная на снижение расхода (потерь) топливно-энергетических ресурсов в процессе их добычи, транспортировки, хранения, производства, использования и утилизации.
Топливно-энергетические ресурсы (ТЭР) - совокупность всех природных и преобразованных видов топлива и энергии, используемых в республике.
Вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) - энергия, получаемая в ходе любого технологического процесса в результате недоиспользования первичной энергии или в виде побочного продукта основного производства и не применяемого в этом технологическом процессе.
Эффективное использование ТЭР - использование всех видов энергии экономически оправданными, прогрессивными способами при существующем уровне развития техники и технологий и соблюдении законодательства.
Рациональное использование ТЭР - достижение максимальной эффективности использования топливно-энергетических ресурсов при существующем уровне развития техники и технологий и соблюдении законодательства.
Показатель энергоэффективности - научно обоснованная абсолютная или удельная величина потребления топливно-энергетических ресурсов (с учетом их нормативных потерь) на производство единицы продукции (работ, услуг) любого назначения, установленная нормативными документами.
Энергетика – это топливно-энергетический комплекс страны, представляющий совокупность энергетических ресурсов всех видов, предприятий по их добыче, производству, преобразованию, транспортированию, распределению и использованию, обеспечивающий снабжение потребителей различными видами энергии.
В состав топливно-энергетического комплекса (ТЭК) входят пять систем энергетики:
Производство электроэнергии обеспечивают электрические станции, преобразование – трансформаторы, транспортирование и распределение электрической энергии – линии электропередачи, потребление – различные приемники т.е. потребители энергии.
Под электроэнергетической системой, следует понимать совокупность взаимосвязанных электрических станций, подстанций, линий электропередач, электрических и тепловых сетей, а также потребителей электрической и тепловой энергии.
Основой жизни на Земле является энергия. За время своего существования человечество постоянно расходовало энергию, накопленную окружающей средой в течение миллионов лет. На начальных этапах своего эволюционного развития человек удовлетворял все свои потребности, используя только мышечную энергию своего тела и прирученных животных.
Следующим шагом человека по пути освоения энергетических источников явилось использование тепловой энергии, получаемой при сжигании древесного топлива. Это позволило ему получить тепло для обогрева жилища и разнообразить пищевой рацион.
Значительным этапом эволюционного развития общества явилось использование человеком энергии ветра и энергии водотоков. В этот период начинают появляться парусные суда, ветряные и водяные мельницы. Расширяется круг технологических процессов, использующих механическую энергию, получаемую от ветряных и водяных энергетических установок.
Растущие энергетические потребности человека вывели его на новый этап развития. В XVIII веке появилась паровая машина, преобразующая энергию топлива в тепловую энергию, а затем в механическую. В оборот вовлекаются все новые источники первичного топлива.
Наступивший XIX век характеризуется как "век электричества". Повсеместно в жизнь человечества начинает внедряться электрическая энергия. Она дала мощный толчок развитию производительных сил и производственных отношений в обществе. С этого момента начинается освоении человечеством новых способов получения и использования энергии: строятся гидравлические и тепловые электростанции большой мощности, сооружаются линии передачи электрической энергии, разрабатываются новые способы производства, преобразования, передачи и использования электроэнергии. Для обеспечения электростанций первичными источниками энергии появляются мощные системы углеснабжения, нефте- и газоснабжения.
В 50-е годы ХХ столетия начинает широко использоваться атомная энергия. Сегодня доля атомной энергии в общемировой выработке энергии составляет 2,2%, а в мировом производстве электроэнергии – 17%.
Таким образом, можно отметить, что энергия сыграла решающую роль в развитии цивилизации. Потребление энергии и накопление информации имеет идентичный характер изменения во времени.
С ростом потребления энергии меняется и структура используемых источников первичных энергоресурсов. В 1907 году структура основных источников первичных энергоресурсов имела следующий вид: древесина – 40%, энергия ветра – 20%, каменный уголь и торф – 20%, энергия воды – 10% и энергия нефтепродуктов – 10%. В перспективе на 2107 год, структура основных источников энергоресурсов, по прогнозам Института проблем нефти и газа Российской АН, будет следующей: газ – 25%, атомная энергия – 20%, нефть – 18%, каменный уголь – 15%, возобновляемые источники энергии – 12%, водородное топливо – 7% и энергия термоядерного синтеза – 3%1.
Если проанализировать основные направления, по которым расходуются все потребляемые человечеством источники энергии, то можно выделить следующие 3 группы:
а) энергия питания. Она дает тепло для поддержания температуры тела и энергию для выполнения умственного и физического труда;
б) тепловая энергия для обогрева домов и приготовления пищи. Она ____________________
1 Писаренко Д. Когда спирт заменит нефть? // Аргументы и факты. – 2007. № 14
дает возможность жить в различных климатических условиях и разнообразить пищевой рацион человека;
в) энергия потребная для обеспечения функционирования общественного производства. Это энергия для производства товаров и услуг, перемещения людей и грузов в пространстве, а также для поддержания работоспособности всех систем коммуникаций. Затраты этой энергии на душу населения значительно выше, чем затраты энергии на питание [3].
1.3. Эффективность использования и потребления энергии в мире и Беларуси
Овладение источниками энергии всегда было способом выживания человечества. И ныне ее потребление остается одним из важнейших не только экономических, но и социальных показателей, во многом предопределяющих уровень жизни людей.
На протяжении XX в. для динамики потребления первичных энергоресурсов был характерен постоянный, хотя и не всегда равномерный, рост. За первые 50 лет оно возросло примерно на 3 млрд. т условного топлива (У.Т.), а за второе пятидесятилетие — на 9,5 млрд. т У.Т.. В пределах второго пятидесятилетия прирост был неодинаковым: в 1950—1960 гг. произошло увеличение потребления первичных энергоресурсов на 0,8 млрд. т У.Т., в 1960—1970 гг. — на 2,1 млрд., в 1970—1980 гг. — на 1,9 млрд., в 1980—1990 гг. — на 2,1 млрд., в 1990—2000 гг. — на 2,7 млрд. т У.Т. В этих колебаниях нет ничего необычного, поскольку объем потребления первичных энергоресурсов определяется темпами мирового экономического развития и, соответственно, изменением спроса и предложения, ценами на энергоносители и некоторыми другими факторами.
До середины 70-х годов развитие мировой энергетики не встречало на своем пути особых трудностей. Среднегодовые темпы прироста энергопотребления все время возрастали, достигнув в 1950—1970 гг. почти 5%, что в 2,5 раза превышало темпы прироста населения мира и, следовательно, обеспечивало довольно быстрое наращивание душевого потребления первичных энергоресурсов.
Однако такое энергопотребление характерно не для всего населения Земли. Наибольшее потребление энергоресурсов приходится на промышленно развитые страны, которые расходуют 81% энергоносителей, в то время как на территории этих стран проживает лишь 19% населения.
Эффективность использования и потребления энергии в любой стране оценивается энергообеспеченностью или удельными затратами условного топлива на 1-го жителя страны в год. Сравнительные данные по энергообеспеченности, валовому национальному продукту (ВНП) на душу населения и по энергоемкости ВНП по некоторым странам приведены в таблице 1.1.
Таблица 1.1 Данные по ВНП, обеспеченности ТЭР и энергоемкости ВНП по некоторым странам.
|
№ п/п |
Страна |
ВНП на душу населения, дол. США |
Потребление ТЭР на 1 чел. в год, т У.Т./чел. |
Энергоем-кость ВНП, кг У.Т./дол.США |
Сравнитель-ная оценка энергоемкости ВНП, % |
|
1 |
Республика Беларусь |
2160 |
3,8 |
1,76 |
100 |
|
2 |
Украина |
1910 |
4,7 |
2,46 |
140 |
|
3 |
Россия |
2650 |
5,8 |
2,19 |
124 |
|
4 |
Германия |
25580 |
5,9 |
0,23 |
13,1 |
|
5 |
США |
25880 |
11,3 |
0,44 |
25,0 |
|
6 |
Финляндия |
18850 |
8,5 |
0,45 |
26,0 |
|
7 |
Франция |
23420 |
5,5 |
0,23 |
13,1 |
|
8 |
Швеция |
23530 |
8,0 |
0,34 |
19,3 |
|
9 |
Япония |
34630 |
5,5 |
0,16 |
9,1 |
Анализируя данные, приведенные в таблице 1.1, необходимо отметить, что наибольшее потребление ТЭР среди приведенных стран имеют США – 11,3 т У.Т. на человека в год. В Республике Беларусь потребляется 3,6 т У.Т.. Здесь же приведено и сравнение энергоемкости ВНП стран по отношению к энергоемкости ВНП Беларуси.
Разразившийся в 1973-74 годах первый нефтяной кризис заставил индустриальные страны пойти на чрезвычайные меры, начать разрабатывать новые подходы к энергопотреблению. Для этого экономики этих стран подверглись коренной структурной, технологической и технической перестройке. Начиная с 1980-х годов, они начинают наращивать валовый национальный продукт, практически не увеличивая потребление энергоресурсов. Так, например, США за период с 1973 по 1987 годы увеличили ВНП на 40,2%, а энергопотребление увеличилось всего лишь на 3,2%. Аналогичная ситуация происходила и в промышленно развитых странах Европы. При росте ВНП на 13% потребление энергии в 1985 году оказалось даже на 6% ниже, чем в 1979году. За последние 20 лет энергоемкость ВНП в мире снизилась в среднем на 18%, а в индустриальных странах – на 21 – 27%.
Аналогичная ситуация происходит и Республике Беларусь (рисунок 1.1). За период времени с 1997 года по 2007 год ВВП страны вырос на 200,5%, а потребление ТЭР осталось практически на том же уровне – 104,5%. Это способствовало снижению энергоемкости ВВП, относительно данных за 1997г., на 47,9%. Показатели энергоемкости ВВП, исчисляемые по паритету покупательской способности, по различным странам мира в 2002 году приведены на рисунке 1.2. Как видно из этих данных энергоемкость ВВП в Беларуси составила 0,73 кг У.Т./доллар США. В России этот показатель оказался равным 0,84, а на Украине – 0,89 кг У.Т./доллар США. Это означает,
Рисунок 1.1 Изменение ВВП, потребления топливно-энергетических ресурсов и энергоемкости ВВП относительно данных 1997 года, %.
Источник: Итоги выполнения мероприятий по реализации в 2007 г. решений Директивы Президента Республики Беларусь № 3 от 14.06.2007г.//"Энергоэффективность".– 2008. №3.- С.3-5.
что по энергоемкости ВВП мы постепенно приближаемся к индустриальным странам (Канаде – 0,43, Финляндии – 0.4). Однако, по сравнению с передовыми странами, такими как Германия, Франция и Япония, энергоемкость ВВП превышает их показатели в 2,8 – 3 раза. Это означает, что потенциал экономии ТЭР в Беларуси огромен. Сократить этот разрыв планируется за 2006 - 2010 годы, когда, как это определено в Республиканской программе энергосбережения, предстоит при росте ВВП на 150 – 157% добиться снижения его энергоемкости на 26 – 30%.
Рисунок 1.2 Показатели энергоемкости ВВП (по ППС) по странам мира.
Еще одной проблемой экономики Республики Беларусь является энергоемкость продукции наших предприятий. По оценкам зарубежных специалистов энергоемкость продукции в среднем в 2 – 2,5 раза выше, чем в индустриально развитых странах. Так, например, при производстве химических удобрений у нас тратится электроэнергии в 2,3 раза, а тепловой энергии в 2,6 раза больше чем за рубежом. При переработке нефти на наших нефтеперерабатывающих заводах тратится энергии в 1,8 – 2,5 раза больше чем на аналогичных зарубежных заводах. Аналогичная ситуация наблюдается и в других секторах экономики, так энергоемкость сельхозпродукции в 3 – 4 раза выше, чем в развитых странах.
Все выше сказанное показывает, что мировой уровень технологий в сложившейся структуре энергопотребления позволяет в 1,5—2 раза снизить энергопотребление в энергоемких производствах.
Вопросы для самоконтроля по теме 1.
ТЕМА 2. ВИДЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ
2.1. Понятие энергетических ресурсов и их классификация.
Практически вся энергия, используемая на Земле, поступает к нам от Солнца, за исключением небольшого количества гравитационной энергии взаимодействия Земли с Луной и Солнцем, а также тепловой энергии земной коры, получаемой от раскаленного ядра земли. Под действием солнечных лучей, за счет фотосинтеза, хлорофилл растений разлагает диоксид углерода СО2, поглощаемый из воздуха, на кислород О2 и углерод С. Последний накапливается в стволах растений. Уголь, нефть, газ, торф и т.д. - это по сути запасы лучистой энергии Солнца. Энергия воды, ветра - также, в конечном счете, результаты солнечной активности: ветер возникает вследствие неодинакового нагревания поверхности Земли Солнцем, а вода, отдающая свою кинетическую энергию при движении, получает ее при испарении с поверхности озер и океанов под действием солнечной инсоляции.
Все машины, работающие на ископаемом топливе или использующие энергию ветра и воды, а также люди и животные, потребляющие пищу, в конечном счете, получают свое "топливо" от Солнца.
Энергетическим ресурсом называют любой источник энергии, естественный или искусственно активированный, в котором сосредоточена энергия, используемая человеком.
Энергоресурсы можно классифицировать по следующим признакам:
В этом разделе остановимся на классификации первичных энергоресурсов. Классификация вторичных энергоресурсов будет рассмотрена при изложении последующих разделов дисциплины (смотри тему 9).
Первичные энергетические ресурсы в свою очередь разделяются:
2.По способам использования на топливные и нетопливные;
3. по признаку сохранения запасов на возобновляемые и невозобновляемые.
К топливным ресурсам относятся горючие вещества, которые сжигаются для получения тепловой энергии, например, все природные запасы топлив (нефть, газ, уголь, торф и т. п.).
К нетопливным ресурсам относятся источники, материалы или вещества, которые несут в себе энергию, но сжечь их не представляется возможным. Например, солнечная энергия, энергия ветра, энергия водного потока, урановая руда и т. п.
2.2. Возобновляемые и невозобновляемые ресурсы.
Возобновляемые ресурсы (источники энергии) – это ресурсы на основе постоянно существующих или периодически возникающих в окружающей среде потоков энергии. Возобновляемая энергия присутствует в окружающей среде в виде энергии, не являющейся следствием целенаправленной деятельности человека [11].
К возобновляемым энергоресурсам относят энергию: солнца, ветра, различных водных потоков, биомассы, тепловая энергия ядра земли и т.д.
Основным недостатком возобновляемых источников энергии является их низкая интенсивность, плотность энергии составляет от 0,3 кВт/м2 и менее. Но это компенсируется широким их распространением, практической неисчерпаемостью и относительно высокой экологической частотой. Такие источники наиболее рационально использовать непосредственно вблизи потребителя без передачи энергии на расстояние.
Учитывая истощаемость природных энергетических ресурсов, использование возобновляемых источников энергии, как альтернативных, во многих странах с каждым годом возрастает. В соответствии с прогнозом, составленным на основании анализа темпов прироста установленной мощности различных видов возобновляемых источников энергии в странах ЕС до 2020 года, доля ветровой энергии будет составлять 16%. Доля солнечной энергии – 21 - 26%, энергия биомасс – 42 - 45%, а доля геотермальной энергии – 7%.
Невозобновляемые ресурсы (источники энергии) – это природные запасы веществ и материалов, которые могут быть использованы человеком для производства энергии. Энергия невозобновляемых источников, в отличии от возобновляемых, находится в природе в связанном состоянии и высвобождается в результате целенаправленных действий человека [11].
К невозобновляемым энергетическим ресурсам относят: каменный уголь, нефть, газ, ядерное топливо и т.п.
Мировые запасы каменного угля оцениваются в 10-12 трлн т. При общем росте уровня энергопотребления к 2015 году в объеме примерно 17 млрд. т У.Т., доля угля в общемировом потреблении энергии предположительно останется стабильной и составит около 31%. К 2025 г. во многих отраслях экономики ожидается замещение угля природным газом, однако реальное снижение его доли в мировом потреблении первичной энергии будет незначительным.
Запасы нефти оцениваются в 191 млрд. т и распределены крайне неравномерно на Земле: на Ближнем и Среднем Востоке (67%), в Африке (12,5%), Юго-Восточной Азии и Дальнем Востоке (3%), Северной Америке (9%), Центральной и Южной Америке (5,5%), Западной Европе (3 %). По уровню добычи нефти в 2005 г. на страны ОПЕК приходится 41,7%, а на Россию – 12,1% от мировой добычи.
Подавляющая часть нефти потребляется в Северной Америке, прежде всего в США, а также в индустриально развитых странах Западной Европы и Японии. В последнее время наращивают темпы потребления нефти КНР и Индия. Доля нефти в мировом потреблении энергии к 2015 году составит 35%.
Запасы природного газа оцениваются в 179,8 трлн. м3 и также распределены в мире неравномерно. Основные разведанные запасы газа в мире сосредоточены в России (26,6%), Иране (14,9%), Катаре (14,3%). Добыча газа в России составляет 21,6%, в США – 19%, Канаде -6,7% от мировой. Потребление газа в 2005 г. составила: в ЕС-25 – 17,1%, доля Китая – 1,7%, Индии – 1,3%. Доля потребления Беларуси – 0,2% по нефти и 0,7% по газу. По оценкам МЭА, природный газ будет самым динамичным видом первичного ресурса и к 2025 г. объемы его потребления увеличатся почти на 70%. Прогнозируется, что уровень потребление природного газа в 2025 году по сравнению с 2001 годом, увеличится с 2,5 до 4,27 триллионов м3, и его доля в мировом потреблении первичной энергии возрастет с 23% до 25%.
В современном природопользовании принята следующая классификация энергетических ресурсов:
В связи с этим выделяют энергетические ресурсы, добавляющие и недобавляющие энергию в биосферу Земли, по сравнению с естественным притоком энергии к планете.
Добавляющие виды ресурсов имеют существенные термодинамические ограничения, пренебрежение которыми может привести к неблагоприятным изменениям климата, вредному потеплению и т.д.
Недобавляющие виды ресурсов значительно безопаснее (хотя и не устраняется местная концентрация энергии) [3].
Мировые запасы энергетических ресурсов принято характеризовать числом лет, в течение которых запасов данного ресурса хватит для производства энергии при современном уровне его потребления. Из доклада комиссии Мирового энергетического совета, запасов угля хватит на 200 лет, газа — на 70 лет, нефти — на 40 лет, а урановой руды – на 85 лет.
Доля различных видов энергетических ресурсов в общемировой выработке первичной энергии на начало XXI века представлена на рисунке 2.1.
В таблице 2.1 приведена структура мирового энергопотребления в последние десятилетия ХХ века. В таблице структура энергопотребления приведена без учета, так называемых, некоммерческих источников энергии – дров, сельскохозяйственных и промышленных отходов и т. п. Как видно из таблицы, после нефтяного кризиса 70 годов, доля нефти в потреблении постепенно уменьшается, а доля природного газа – возрастает.
Рисунок 2.1. Доля различных видов энергетических ресурсов в общемировой выработке первичной энергии (2000 г.),%
Таблица 2.1 Структура мирового энергопотребления в 1970 – 2000 гг., %.
|
Первичный энергоноситель |
1970 |
1980 |
1990 |
2000 |
|
Уголь |
32,9 |
30,5 |
32,0 |
32,8 |
|
Нефть |
45,3 |
44,6 |
39,4 |
37,1 |
|
Природный газ |
19,5 |
21,4 |
23,7 |
24,9 |
|
Гидроэнергетика и другие возобновляемые источники энергии (ВИЭ) |
2,2 |
2,3 |
2,6 |
3,0 |
|
Атомная энергия |
0,1 |
1,2 |
2,3 |
2,2 |
|
Всего энергоносители |
100,0 |
100,0 |
100,0 |
100,0 |
Источник: Максаковский В.П. Пути развития мировой энергетики // РосТепло. – 2002. №4. – С.2.
2.3. Основные источники энергии.
В соответствии с классификацией, приведенной Дж. Твайделлом в книге "Возобновляемые источники энергии", на нашей планете существует пять основных источников энергии, которые лежат в основе всех остальных источников, используемых человеком. Этими источниками являются:
Источники 1, 2 и 3 являются источниками возобновляемой энергии, а источники 4 и 5 - невозобновляемой энергии.
Вопросы для самоконтроля по теме 2
ТЕМА 3. ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
3.1. Виды топлив.
По определению Д. И. Менделеева, «топливом называется горючее вещество, умышленно сжигаемое для получения теплоты».
Минеральное топливо, находящееся в недрах земли, является основным источником энергии в промышленности и энергетике и важнейшим примышленным сырьем.
Топливо, в зависимости от его агрегатного состояния, подразделяют на следующие четыре группы: твердое, жидкое, газообразное и ядерное.
1. Твердое топливо.
К твердому виду топлива относят: уголь (каменный, бурый); горючие сланцы; торф; древесину и другие продукты растительного происхождения;
Ископаемые твердые топлива (за исключением сланцев) являются продуктом разложения органической массы растений. Самое молодое из них - торф представляет собой плотную массу, образовавшуюся из перегнивших остатков болотных растений. Следующими по «возрасту» являются бурые угли - землистая или черная однородная масса, затем идут каменные угли, обладающие, как правило, повышенной прочностью и меньшей пористостью. Органическая масса наиболее старых из них - антрацитов претерпела наибольшие изменения и на 93 % состоит из углерода. Антрацит отличается высокой твердостью [12].
Твердое топливо состоит из двух составляющих: горючей и негорючей.
Горючей составляющей в органическом топливе являются следующие химические элементы: углерод (С), водород (Н) и сера (S). С увеличением возраста топлива содержание углерода увеличивается (от 40% у древесины до 93% у антрацита), а водорода – уменьшается (от 6 до 2 %).
При полном сгорании углерода образуется относительно безвредный диоксид углерода СО2 и выделяется при этом 32,8 МДж теплоты на 1 кг сожженного углерода. В случае сжигания углерода при недостаточном количестве кислорода, продуктом сгорания является токсичный оксид углерода СО (угарный газ) и выделяется всего 9,2 МДж теплоты.
Теплотворная способность антрацита равна Qв = 31 МДж/кг; бурого угля – 21 МДж/кг; сухих дров – 15 МДж/кг.
Негорючей составляющей (балластом топлива) являются минеральные примеси – зола и влага.
Зольность твердого топлива находится в широких пределах, так, например, зольность древесины, торфа, некоторых видов углей составляет не более 10%, а максимальное значение зольности доходит до 50%.
2. Жидкое топливо.
Все виды жидкого топлива получают путем переработки нефти в ректификационных колоннах. Сырую нефть нагревают до 350 - 370°С, после чего полученные пары разделяют на фракции, конденсирующиеся при различной температуре. В качестве конечных продуктов процесса перегонки нефти получают:
Жидкий остаток с температурой начала кипения 330 - 3500С называется мазутом [12].
Мазут используется в качестве топливо для паровых и водогрейных котлов или может подвергаться дальнейшей переработке в светлые нефтепродукты путем крекинг-процесса, т.е. расщепления тяжелых молекул нефти на более легкие. Различают два вида крекинга: термический и каталитический. Термический крекинг осуществляется под действием высокой температуры и давления, а каталитический происходит при одновременном воздействии высокой температуры и катализаторов. При крекинг-процессе получают до 50 - 60% бензиновой фракции. Выход мазута сокращается до 20%. При этом процессе глубина переработки нефти увеличивается до 80%.
Мазут, как топливо, содержит до 84 – 86% углерода, 10 – 12% водорода и до 3,5% серы.
Теплотворная способность жидкого топлива составляет: мазут – 41 МДж/кг, бензин – 42 МДж/кг, дизельного топлива – 42,7 МДж/кг.
3. Газообразное топливо.
Газообразными видами топлива являются природный газ. Основным его компонентом является метан (СН4) и в небольшом количестве присутствуют азот (N2), высшие углеводороды (CnHm), и двуокись углерода (СО2). Природный газ является наиболее широко распространенным видом газообразного топлива.
При добыче нефти выделяется, так называемый попутный газ, содержащий меньше метана, чем природный, но больше высших углеводородов, и поэтому отдающий при сгорании большее количество теплоты.
В промышленности и, особенно в быту, находит широкое распространение сжиженный газ, получаемый при первичной переработке нефти и попутных нефтяных газов. Он состоит из пропана и бутана.
Температура конденсации паров пропана при атмосферном давлении составляет ─ 44,50С, а бутана - + 50С. Эти газы транспортируют в жидком виде в баллонах и цистернах под небольшим избыточным давлением 1,6 МПа.
На металлургических заводах в качестве попутных продуктов получают коксовый и доменный газы. Они используются здесь же на заводах для отопления печей и технологических аппаратов. Коксовый газ после очистки иногда применяют для бытового газоснабжения прилегающих жилых массивов [12].
В последнее время в энергетике проявляется интерес к газам, получаемые путем газификации (генераторные) или путем сухой перегонки (нагрев без доступа воздуха) твердых топлив.
Все большее применение находит биогаз - продукт анаэробной ферментации (сбраживание) органических отходов (навоза, растительных остатков, мусора, сточных вод и т. д.).
3.2. Условное топливо
Различные виды энергетических ресурсов обладают разным качеством, которое характеризуется его энергоемкость. Под удельной энергоемкостью понимают количество энергии, получаемое при использовании ресурса, отнесенное к единице его массы.
Для сопоставления различных видов органического топлива, для его суммарного учета, а также планирования потребности в различных видах энергоресурсов, энергетическую ценность ресурсов и топлива приводят к единой базе. За такую единую базу принято условное топливо (У.Т.).
В качестве единицы условного топлива в Республике Беларусь и многих других странах принимается 1 кг топлива, имеющего низшую теплоту сгорания 29,3 МДж (7000 ккал), что соответствует хорошему малозольному углю.
Соотношение между условным топливом и натуральным топливом выражается формулой:
Gу = Gн ∙ (Qн / 29,3),
где Gу – масса эквивалентного количества условного топлива, У.Т.; Gн – масса натурального топлива, т (твердое и жидкое топливо) или м3 (газообразное); Qн – низшая теплота сгорания натурального топлива, МДж/кг или МДж/м3 .
В некоторых странах за рубежом, в частности, в США и странах Американского континента, применяется идентичная, по сути и функциональному назначению единица измерения – тонна условного топлива в нефтяном эквиваленте или проще тонна нефтяного эквивалента (т н.э.), 1 кг н.э. = 41,86 МДж.
3.2. Топливно-энергетический комплекс Республики Беларусь.
Топливно-энергетический комплекс (ТЭК) Республики Беларусь является важной составляющей всего народного хозяйства Беларуси. Он обеспечивает функционирование экономики и способствует повышению уровня жизни населения. ТЭК представляет совокупность больших производственных систем по добыче, транспортировке, переработке, хранению и распределению всех видов энергоносителей: нефти и продуктов ее переработки, газа, твердых видов топлива, электрической и тепловой энергии.
В состав топливно-энергетического комплекса Республики Беларусь входят:
1) Министерство энергетики, которому подчинены:
─ Государственное производственное объединение электроэнергетики (ГПО) «Белэнерго»;
─ ОАО по транспортировке газа «Белтрансгаз»;
─ Государственное производственное объединение по топливу и газификации (ГПО) «Белтопгаз»;
2) Белорусский государственный концерн по нефти и химии «Белнефтехим», подчиненный непосредственно Совету Министров Республики Беларусь.
На отрасли комплекса приходится 26% капитальных вложений в промышленность и 20% основных производственных фондов. Валовая продукция предприятий ТЭК составляет около 14% от валовой продукции промышленности.
Министерство энергетики Республики Беларусь (Минэнерго) является республиканским органом государственного управления, на который возложены функции по регулированию обеспечения страны топливно-энергетическими ресурсами.
В топливно-энергетический комплекс Республики Беларусь входят три сектора.
Топливный сектор. Одна из важнейших задач, стоящих перед ТЭК Республики Беларусь в плане энергобезопасности, - увеличение в энергобалансе (в балансе котельно-печного топлива) страны доли собственных энергоресурсов. К 2012 году намечено увеличить долю местных ТЭР с 16,7% (2004г.) до 25%. При этом потребление местных ТЭР планируется довести до 6,7 млн. т У.Т.
Топливный сектор включает в себя нефть, торф, древесину и древесные отходы, бурый уголь, горючие сланцы и нетрадиционные источники энергии. Потенциальные запасы и экономически целесообразные объемы использования местных ТЭР приведены в таблице 3.1.
Нефть и попутный газ. Месторождения нефти сосредоточены в основном в пределах Припятского прогиба (Гомельская обл.). Добыча здесь ведется с 1965 года добыто свыше 100 млн. т нефти. Потенциальные запасы нефти составляют 58 млн. тонн. Оптимальным уровнем добычи нефти для нужд республики считается уровень в 1,7 - 1,6 млн. т в год. Покрытие годовой потребности нефти из собственных ресурсов составляет всего 6 – 8%. Недостающее количество нефти закупается в России и при этом тратится большая часть денежных средств из выделяемых на закупку энергоресурсов. Потенциальные запасы попутного газа составляют около 3,4 млрд. м3.
Таблица 3.1 Потенциальные запасы и экономически целесообразные объемы использования местных энергоресурсов.
|
Вид энергоресурсов |
Потенциальные запасы |
Годовой объем использования (производства, добычи) |
||||
|
2006 |
2007 |
2008 |
2009 |
2010 |
||
|
Нефть, млн. т |
58 |
1,67 |
1,65 |
1,63 |
1,6 |
1,58 |
|
Попутный газ, млн. м3 |
3430 |
241 |
236 |
230 |
225 |
220 |
|
Торф, млн. т |
4000 |
2,87 |
2,98 |
3,09 |
3,2 |
3,31 |
|
Бурые угли, млн. т |
151 |
- |
- |
- |
- |
- |
|
Сланцы, млрд. т |
11 |
- |
- |
- |
- |
- |
|
Древесное топливо и отходы деревообработки, млн. т У.Т. |
6,6 |
2,08 |
2,32 |
2,57 |
2,82 |
3,06 |
|
Гидроресурсы, тыс. кВт∙ч |
2270 |
36 |
120 |
227 |
327 |
390 |
|
Ветропотенциал, млн. кВт∙ч |
2400 |
3,04 |
3,94 |
6,62 |
6,62 |
6,62 |
|
Биомасса, тыс. т У.Т. в год |
1620 |
- |
6,6 |
13,2 |
19,8 |
26,4 |
|
Солнечная энергия, тыс. т У.Т. |
71000 |
0,01 |
0,3 |
1,0 |
2,0 |
3,0 |
|
Коммунальные отходы, тыс. т У.Т. в год |
470 |
- |
4,9 |
9,9 |
14,8 |
19,8 |
|
Этанол и биодизельное топливо, тыс. т У.Т. |
1000 |
- |
0,5 |
4,9 |
9,9 |
14,8 |
Источник: Семашко В. Энергетическая безопасность – основа процветания страны//Экономика Беларуси.– 2005. №3.- С.7-14.
Торф. В республике разведано большое количество торфяных месторождений с перспективными запасами около 4,3 млрд. тонн. Основные залежи торфа в Беларуси находятся в Брестской, Витебской и Могилевской областях и составляют около 70% от всех запасов. Ежегодно на топливные ресурсы расходуется 1,8 млн. т торфа. Добыча его осуществляется предприятиями концерна "Белтопгаз". Имеющиеся запасы сырья и те инвестиции, которые будут произведены в производство торфа, позволят увеличить его добычу к 2012 году до 3,3 млн. тонн.
Бурый уголь и горючие сланцы. Разведанные потенциальные запасы бурого угля оцениваются в 150 млн. т. Использование этого угля считается экономически невыгодным из-за низкого качества и больших затрат, которые требуется для его переработки. Потенциальные запасы горючих сланцев составляют около 11 млрд. т, промышленные – 3 млрд. т. Использование их из-за высокой зольности (75%) и низкой теплоты, выделяемой при сгорании, не целесообразно. При термической обработке сланцев из них получается первичный газ, являющийся газообразным топливом, и жидкая фракция - сланцевое масло (газовый бензин), являющееся жидким топливом.
Республика Беларусь обладает энергоемкими отраслями промышленности. Суммарное годовое потребление энергоресурсов составляет ~ 35-38 млн. т У.Т., из которых на долю промышленности приходится свыше 38%. Примерно такое же потребление ТЭР и в жилищно-коммунальном секторе. Доля сельскохозяйственного потребления – около 8%.
Электроэнергетика. Электроэнергетический сектор РБ представлен ГПО «Белэнерго». Белорусская энергетика располагает генерирующими мощностями, которые могут полностью обеспечить потребности республики в электрической энергии. В состав энергосистемы входит 33 тепловых электростанций с установленной электрической мощностью 7894 МВт, из них: 30 теплоэлектроцентралей (ТЭЦ), 3 государственных районных электростанций (ГРЭС). Кроме того, в состав энергосистемы входят 30 промышленных электростанций (блок-станции), находящихся при крупных промышленных предприятиях, 34 районных котельных, 31 малая ГЭС суммарной мощностью 12,9 МВт. В структуре генерирующих мощностей на долю ТЭЦ приходится 52,7% мощностей от всех электростанций. Модернизация блоков Лукомльской и Березовской ГРЭС, проведенная в 2002-2003гг. позволила повысить энергоэффективность ГРЭС и увеличить мощность примерно на 55-60 МВт.
Сетевое хозяйство представлено различными видами линий электропередач.
Общая длина линий электропередач (ЛЭП) составляет 268 тыс. км из них: ЛЭП с напряжением 220-750 кВ 6,95 тыс. км; и 16,57 тыс. км — 110 кВ. Беларусь связана с энергосистемами России (2 линии на 330 кВ и линия на 750 кВ), стран Балтии (4 линии на 330 кВ и линия на 750 кВ), Украины (2 линии на 330 кВ) и Польши (2 линии на 220 кВ).
Генерирующие источники концерна «Белэнерго» в основном работают на двух наиболее качественных видах топлива: природном газе (92-95%) и мазуте (различных марок), которые импортируются в Беларусь, в основном из Российской Федерации. Кроме того, с целью диверсификации топливно-энергетического баланса энергосистемы и обеспечения энергетической безопасности республики ГПО «Белэнерго» приобретает электроэнергию из-за пределов республики.
Потребление электроэнергии в РБ в 2007 году составило 36,14 млрд. кВт∙ч. Из этого количества 31,8 млрд. кВт∙ч было произведено на электростанциях страны, а недостающая часть электроэнергии в количестве 4,34 млрд. кВт∙ч импортирована из соседних стран. Таким образом, на каждого жителя РБ приходится около 3600 кВт·ч в год электроэнергии.
Одной из наиболее важных и сложных проблем электроэнергетики является старение основного оборудования электростанций. В настоящее время износ основных фондов генерирующих мощностей составляет около 62%, а сетевого хозяйства около 50%. К 2010 г. необходимо будет обновить основные производственные фонды, снизив их износ до 46% (на 16%). Планируется модернизация многих действующих энергообъектов республики. Так, например, ведутся работы по модернизации минской ТЭЦ-3 на основе ввода в эксплуатацию современной парогазовой установки мощностью 230 МВт, на минской ТЭЦ-4 и гомельской ТЭЦ-2 будут установлены газотурбинные установки мощностью по 110 и 70 МВт и т.д.. Все эти мероприятия позволят поднять эффективность топливоиспользования до 70 – 80%.
Стоимость одного кВт·ч белорусской электроэнергии составляет 0,034 USD; средняя стоимость импортного кВт·ч электроэнергии — 0,029 USD. Но сегодня около 85% энергопотребления обеспечивается за счет поставок энергоносителей из-за рубежа. В общем, объеме импорта, их доля в денежном выражении достигает 60% и составляет более 2 млрд. дол. США.
Теплоэнергетический сектор. Эффективность и надежность теплоснабжения также является одной из проблем, так как на него приходится более половины топливопотребления, значительные материальные и трудовые ресурсы.
За год Беларусь потребляет около 313 млн. ГДж тепловой энергии. Существенное повышение надежности и экономичности теплоснабжения достигается при переходе на сооружение бесканальных теплотрасс из предварительно изолированных трубопроводов (ПИ-труб), обеспечивающих потери тепла на уровне 2% на протяжении всего срока службы. Осуществляется замена устаревших котлов на более экономичные, перевод их на местные виды топлива, повсеместной установкой приборов учета и автоматического регулирования потребления тепловой энергии. Предусматривается переоборудование существующих котельных в мини-ТЭЦ за счет внедрения в котельных электрогенерирующего оборудования, что значительно повышает эффективность топливоиспользования. Предусматривается широкое использование возобновляемых и нетрадиционных источников энергии.
Структура потребления энергии по отраслям экономики в 2007 году в республике представлена в таблице 3.2.
Таблица 3.2 Структура потребления энергии в РБ в 2007 году
|
Отрасль экономики |
Электроэнергия |
Тепловая энергия |
|
Промышленность |
60,7% |
27,0% |
|
Коммунально-бытовой сектор |
19,4% |
60,0% |
|
Непромышленные потребители |
12,0% |
12,0% |
|
Сельское хозяйство |
5,3% |
1,0% |
|
Транспорт |
2,6% |
- |
Источник: Материалы 13 Международной специализированной выставки "Энергетика. Экология. Энергосбережение. Атомная энергия".
3.3. Энергетическая безопасность Республики Беларусь.
В условиях ограниченности собственной ресурсной базы актуальными являются проблемы энергетической безопасности республики.
Энергетическая безопасность это гарантия надежного и бесперебойного энергоснабжения страны, необходимого для устойчивого развития экономики в нормальных условиях и минимизация ущерба в чрезвычайных ситуациях.
Проблема обусловлена тем, что мы покупаем практически все топливо за рубежом (преимущественно в России) и частично закупаем у соседних стран электроэнергию. Такое положение не обеспечивает энергетической безопасности, без которой не может быть и политической независимости [5].
Необходимыми условиями достижения энергетической независимости и безопасности государства является не только наличие запасов топлива, надежность и долговечность оборудования, но и выполнение определенных критериев. Рассмотрим некоторые критерии.
Первый критерий — если энергетика страны работает на импортном топливе, то поставки его не должны осуществляться одним доминирующим поставщиком.
Сейчас в Беларуси этот критерий не соблюдается, в силу того, что практически все топливо для энергосистемы поставляется в основном из России. Западные стандарты энергобезопасности предусматривают поставки каждого вида топлива как минимум от двух и более поставщиков.
Второй критерий — энергетика страны не должна развиваться и работать на одном доминирующем виде топлива, должны быть задействованы различные виды энергоресурсов.
Этот критерий энергетической безопасности так же нарушен, поскольку доля природного газа в топливном балансе ГПО "Белэнерго" составляет 95%. Исходя из критерия энергетической безопасности, западные стандарты энергобезопасности предусматривают три вида топлива и доля доминирующего топлива не должна превышать 60—65%.
Третий критерий – для обеспечения энергетической безопасности государства должен быть создан резерв — избыток, как в структуре генерирующих мощностей, так и в электросетях не менее 15% по сравнению с пиковой нагрузкой.
Этот критерий в республике выполняется в силу того, что износ основных фондов энергетическое оборудование достаточно большой, и оно работает с неполной нагрузкой.
Вопросы для самоконтроля по теме 3.
ТЕМА 4. энергиЯ и ее основные виды.
4.1. Понятие энергия и ее основные виды.
Энергия (от греческого energeia – действие, деятельность) - общая мера (количественная оценка) различных форм движения материи, рассматриваемых в физике.
Согласно представлениям физической науки, энергия - это способность тела или объекта совершать работу. Для количественной характеристики качественно различных форм движения и соответствующих им взаимодействий введены различные виды энергии. Человек в своей повседневной жизни наиболее часто встречается со следующими видами энергии: механической, электрической, электромагнитной, тепловой, химической, ядерной и т.д.
Кинетическая энергия – мера механического движения, равная для твердого тела половине произведения массы тела на квадрат ее скорости. К ней относят механическую энергию движения частицы или тела, тепловую энергию, ядерную энергию и т.д.
Если энергия - результат изменения взаимного расположения частиц системы и их положения по отношению к другим телам, то она называется потенциальной. К ней относят энергию масс, притягивающихся по закону всемирного тяготения, химическую энергию, энергию положения однородных частиц, например, энергию упругого деформированного тела и т.п. [3].
Механическая энергия – энергия механического движения и взаимодействия тел или их частей. Механическая энергия системы тел равна сумме кинетической и потенциальной энергий этой системы. Она проявляется при взаимодействии, движении отдельных тел или частиц.
К ней относят энергию поступательного движения или вращения тела, энергию деформации при сгибании, растяжении, сжатии упругих тел (пружин). Эта энергия наиболее широко используется в различных машинах - транспортных и технологических [3].
Тепловая энергия - энергия хаотического поступательного и вращательного движения молекул вещества. Для твердого тела это энергия колебания атомов в молекулах, находящихся в узлах кристаллической решетки.
Тепловая энергия возникает только в результате превращения других видов энергии, например, при сжигании различных видов топлив их химическая энергия переходит в тепловую. Она применяется для отопления, проведения многочисленных технологических процессов (нагревания, плавления, сушки, выпаривания, перегонки и т.д.).
Электрическая энергия - энергия упорядоченно движущихся по замкнутой электрической цепи заряженных частиц или тел (электронов, ионов).
Электрическая энергия применяется для получения механической энергии, тепловой энергии или любой другой потребной энергии.
Химическая энергия - это энергия, "запасенная" в атомах веществ, которая высвобождается или поглощается при химических реакциях между веществами.
Химическая энергия либо выделяется в виде тепловой энергии при проведении экзотермических реакций (например, горении топлива), либо преобразуется в электрическую энергию в гальванических элементах и аккумуляторах [3].
Ядерная энергия – внутренняя энергия атомного ядра, связанная с движением и взаимодействием образующих ядро нуклонов. Она выделяется в результате цепной ядерной реакции деления тяжелых ядер (ядерная реакция) или при синтезе легких ядер (термоядерная реакция). В ядерной энергетике пока используется только первый способ, т.к. использование второго связано с нерешенной еще проблемой осуществления управляемой термоядерной реакции.
Гравитационная энергия - энергия взаимодействия (притяжения) между любыми двумя телами и определяемая их массами. Она особенно ощутима в космическом пространстве. В земных условиях, это, например, энергия, которую "запасает" тело, при его подъеме на определенную высоту над поверхностью Земли.
Единицей измерения энергии является 1 Дж (Джоуль). Иногда, по "старинке", для измерения количества теплоты используют устаревшую единицу - 1 кал (калория) = 4,18 Дж. Механической энергии измеряется величиной 1 кгс∙м = 9,8 Дж, а электрическая энергия - 1 кВт∙ч =3,6 МДж.
4.2. Преимущества электрической энергии.
Электрическая энергия является наиболее универсальным и распространенным из всех видов потребляемой в современном мире энергии. Она нашла широкое применение в быту и во всех отраслях народного хозяйства. Сравнивая производство электрической и тепловой энергии в мире, следует отметить, что количество производимой и потребляемой электроэнергии значительно больше тепловой. Электрическая энергия обладает такими уникальными свойствами, которые отсутствуют у других видов энергии (тепловой, механической и т. п.) и которые делают ее незаменимой в механизации и автоматизации производства, а также в повседневной жизни человека.
Отметим ряд факторов, обуславливающих широкое использование электрической энергии:
Вопросы для самоконтроля по теме 4.
ТЕМА 5. ТРАДИЦИОННЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ
5.1. Понятие электрических станций и их классификация.
Электрической станцией называется комплекс устройств и оборудования предназначенного для преобразование используемого источника энергии в электрическую, т. е. выработка электроэнергии для снабжения ею промышленного и сельскохозяйственного производства, коммунального хозяйства и транспорта. Электростанции, использующие в качестве источника энергии различные виды топлива (включая атомное), могут вырабатывать одновременно и тепловую энергию, используемую для целей теплоснабжения производственных предприятий, административных и жилых зданий и т. п. [14].
Электрические станции классифицируют по следующим признакам.
1. По виду используемого источника энергии:
2. По виду вырабатываемой энергии (по этому признаку классифицируются только тепловые станции):
3. По виду теплового двигателя:
4. По назначению электростанций бывают:
Для каждого типа станции разрабатывается своя технологическая схема превращения используемой первичной энергии в электрическую, а для ТЭЦ — и в тепловую. Технологическая схема определяет последовательность процесса производства электрической и тепловой энергии и оснащение его необходимым основным оборудованием (паровыми котлами, атомными реакторами, паровыми, газовыми или гидравлическими турбинами, электрическими генераторами), а также разнообразным вспомогательным оборудованием. Технологическая схема предусматривает необходимую механизацию и автоматизацию процесса.
5.2. Тепловые электростанции
5.2.1 Конденсационные электростанции (КЭС) — тепловые паротурбинные электростанции, предназначенные для выработки электрической энергии.
Рассмотрим принципы действия КЭС, используя упрощенную принципиальную схему, приведенную на рисунке 5.1. Необходимо учитывать, что отдельные элементы схемы являются достаточно общими для любой ТЭС.
В состав любой ТЭС входит следующее основное технологическое оборудование: парогенератор (паровой котел), паровая турбина (тепловой двигатель), электрический генератор, конденсатор и питательный насос.
Парогенератор предназначен для получения водяного перегретого пара высокого давления и температуры за счет сжигания топлива в его топке (угля, газа, мазута). Полученный пар по паропроводу подается в паровую турбину, в которой тепловая энергия (потенциальная) пара преобразуется в механическую (кинетическую) энергию вращения ротора турбины и соосно с ним связанного ротора электрогенератора. Электрогенератор на основе электромагнитной индукции вырабатывает электрическую энергию. Отработанный в турбине пар поступает в конденсатор, где превращается в воду, которая питательным насосом подается обратно в паровой котел и цикл повторяется. Для охлаждения пара в конденсаторе используется охлаждающая вода, забираемая насосами из внешнего водоема.
Рисунок 5.1. Принципиальная схема конденсационной электростанции.
Таков общий принцип действия КЭС. На такой электростанции в процессе преобразования энергии неизбежны ее потери. Тепловой баланс, представленный на рисунке 5.2, дает общее представление об этих потерях.
Рисунок 5.2. Тепловой баланс конденсационной электростанции
Совершенство КЭС (ТЭС) определяется ее коэффициент полезного действия (КПД) технологического оборудования станции. КПД станции без учета расходов энергии на собственные нужды, например привод электродвигателей вспомогательных агрегатов, называется КПД брутто и имеет вид:
ηбр = [ Эвыр / (G ▪ Qr )] ▪ 100% ,
где: Эвыр ─ количество выработанной генератором электроэнергии, МДж; G ─ расход топлива за это же время, кг; Qr ─ теплота сгорания топлива, МДж/кг.
Коэффициент полезного действия (КПД) современных крупных блочных КЭС не превышает обычно 35—40%.
Процесс производства электроэнергии на всех видах ТЭС можно разделить на три цикла (рисунок 5.3.):
▪ химический цикл, протекающий в парогенераторе. Здесь происходит преобразование химической энергии, содержащейся в топливе, в процессе горения в топке парового котла, в тепловую энергию перегретого пара;
▪ механический цикл, протекает в паровой турбине. Перегретый пар подается в паровую турбину, где и происходит преобразование тепловой энергии пара в механическую энергию вращения ротора турбины;
▪ электрический цикл, протекающий в электрическом генераторе. Механическая энергия вращения ротора турбины передается на ротор электрического генератора, который и вырабатывает электрическую энергию.
|
Топливо |
→ |
Tenлomа |
→ |
Механическая энергия |
→ |
Электрическая энергия |
Рисунок 5.3. Схема преобразования топлива в электроэнергию
Остановимся подробнее на отдельных элементах технологической схемы КЭС.
Паровой котел. Это сложное техническое сооружение, предназначенное для получения (генерации) пара заданных по давлению и температуре параметров из поступающей в него питательной воды. По конструктивным признакам паровые котлы подразделяются на барабанные и прямоточные котлы.
Паровая турбина. Паровой турбиной называют тепловой двигатель, преобразующий потенциальную энергию пара сначала в кинетическую энергию вращения ротора турбины, а затем в механическую работу на валу.
Конденсатор. Экономичность работы паровой турбины в большой степени зависит от конечного давления пара, с понижением которого увеличивается используемый тепловой перепад и возрастает КПД турбоустановки и, как следствие, всей электростанции. Снижение давления пара после выхода его из турбины осуществляется с помощью устройства, называемого конденсатором, в котором поддерживается низкое абсолютное давление в пределах 3 – 4 кПа за счет охлаждения его водой из внешнего водоема.
Количество охлаждающей воды для выработки 1 кВт∙ч электроэнергии современной мощной конденсационной турбиной составляет от 0,12 до 0,16 м3.. Поэтому строительство мощных КЭС возможно лишь вблизи крупных водоемов.
5.2.2. Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). К теплоэлектроцентралям относятся электростанции, которые вырабатывают и отпускают потребителям не только электрическую, но и тепловую энергию. При этом в качестве теплоносителей служат как пар из промежуточных отборов турбины, частично уже использованный в первых ступенях расширения турбины для выработки электроэнергии, так и горячая вода с температурой 100—150°С, нагреваемая отбираемым из турбины паром.
Технологическая схема ТЭЦ (рисунок 5.4) отличается от схемы КЭС лишь наличием промежуточного отбора пара из турбины на теплофикацию.
Рисунок 5.4. Принципиальная схема ТЭЦ, снабжающей потребителей горячей водой
Пар высокого давления из парового котла поступает по паропроводу в паровую турбину, где он расширяется, снижая давление, до давления в конденсаторе и его тепловая энергия преобразуется в механическую работу вращения ротора турбины и соединенного с ним ротора электрогенератора. Часть пара после нескольких ступеней расширения отбирается из турбины и направляется по паропроводу к подогревателю-теплообменнику. Место отбора пара, а значит, и его параметры устанавливаются с учетом требований потребителя [14].
В современных турбинах предусматривается несколько мест отбора пара. Пар наиболее низких параметров используется для получения горячей воды. Горячая вода, идущая на нужды теплоснабжения, циркулирует между сетевым подогревателем-теплообменником и потребителем по замкнутому контуру при помощи сетевых насосов. Замкнутый контур, представляющий собой систему трубопроводов, обеспечивающих подачу воды от ТЭЦ потребителям и возврат охлажденной воды на ТЭЦ, называется тепловой сетью.
Таким образом, в конденсатор на ТЭЦ поступает значительно меньшее количество пара, чем на КЭС, что и приводит к снижению потерь теплоты в конденсаторе, и, как следствие, повышению экономических показателей работы ТЭЦ.
Так как теплота на ТЭЦ расходуется на производство электрической и тепловой энергии, то различаются КПД ТЭЦ по производству и отпуску электрической энергии и по производству и отпуску тепловой энергии. Однако для совместной оценки экономической эффективности обоих процессов используется общий КПД ТЭЦ, который характеризует степень использования теплоты, расходуемой на производство обоих видов энергии одновременно. Значение этого КПД для ТЭЦ, снабженных турбинами с промежуточным отбором пара, составляет около 60%, а для ТЭЦ, использующих турбины с противодавлением,— 75%.
5.3. Газотурбинные и парогазовые установки.
5.3.1. Газотурбинные установки (ГТУ) состоят из трех основных конструктивных элементов: воздушного компрессора, камеры сгорания и газовой турбины (рисунок 5.5).
Воздух из атмосферы поступает в компрессор 1, приводимый в действие газовой турбиной 6, и сжимается. Далее под давлением он подается в камеру сгорания 3, куда одновременно подводится топливным насосом 4 жидкое или газообразное топливо. Запуск ГТУ осуществляется пусковым двигателем 2, вращающим вал компрессора во время пуска. Температура газов, покидающих камеру сгорания, имеет величину порядка 2000оС, что по условиям жаропрочности лопаток турбины и других элементов газового тракта недопустимо. Для снижения температуры газов до приемлемого уровня (750—850° С), в камеру сгорания подают в 3 — 5 раза больше воздуха, чем нужно для сгорания топлива. Для этой цели воздух в камере сгорания разделяется на два потока: один поток поступает внутрь
Рисунок 5.5. Принципиальная схема газотурбинной установки
жаровой трубы 5 и обеспечивает полное сгорание топлива, а второй обтекает жаровую трубу снаружи и, подмешиваясь к продуктам сгорания, снижает их температуру. После камеры сгорания газы поступают в газовую турбину 6, находящуюся на одном валу с компрессором и электрогенератором 7. Там они, расширяясь (примерно до атмосферного давления), совершают работу, вращая вал турбины, и затем выбрасываются через дымовую трубу.
Полезная мощность ГТУ, это та мощность, которая остается от развиваемой турбиной за вычетом мощности потребляемой приводом компрессора, и она составляет 1/3 от полной мощности турбины. Мощность газовой турбины значительно меньше мощности паровой турбины и в настоящее время обычно не превышает 100—150 МВт при максимальном КПД около 30 - 35% [14].
К положительным качествам ГТУ следует отнести отсутствие громоздкого котельного агрегата, незначительную потребность в охлаждающей воде, высокую маневренность (более быстрые, чем у паровых турбин, пуски и остановки), простоту автоматизации эксплуатации, что позволяет уменьшить число обслуживающего персонала и осуществлять дистанционное управление. Отмеченные особенности ГТУ предопределили область их использования в энергетике. Они с успехом используются в качестве источника пиковой мощности в периоды прохождения максимума нагрузки в энергосистеме. В мировой практике накоплен опыт эксплуатации ГТУ совместно с крупными энергоблоками КЭС. В этом случае все пики нагрузки воспринимаются ГТУ, что и обеспечивает оптимальный режим работы энергоблока.
ГТУ находит применение также в качестве теплофикационных установок. В этом случае выхлопные газы направляют в специальный котел-утилизатор или водяной подогреватель для получения горячей воды. Это позволяет повысить КПД установки [14].
5.3.2. Парогазовые установки (ПГУ) представляют собой сочетание паротурбинной (ПТУ) и газотурбинной установок. Такое объединение позволяет снизить потери отработавшей теплоты газовых турбин или теплоты уходящих газов паровых котлов, что обеспечивает повышение КПД парогазовой установки по сравнению с отдельно взятыми газотурбинными и паротурбинными установками. Кроме того, при таком объединении достигается ряд конструктивных преимуществ, приводящих к удешевлению установки [14].
Распространение получили два типа ПГУ: с высоконапорными котлами и со сбросом отработавших газов турбины в топочную камеру обычного котла.
Рассмотрим конструктивную схему ПГУ с высоконапорным котлом. Высоконапорный котел 1 (рисунок 5.6) работает на газовом или жидком топливе. Дымовые газы, выходящие из котла с высокой температурой
Рисунок 5.6. Принципиальная схема парогазовой установки с высоконапорным паровым котлом.
и избыточным давлением, направляются в газовую турбину 2, на одном валу с которой находятся компрессор 3 и электрогенератор 4. Компрессор нагнетает воздух в топочную камеру котла. Пар из высоконапорного котла направляется к паровой турбине 5, на одном валу которой находится электрогенератор 8. Отработавший в турбине пар переходит в конденсатор 6 и после конденсации насосом 7 подается снова в котел. Выхлопные газы турбины подводятся к экономайзеру для подогрева питательной воды котла. КПД установки в целом достигает величины 42—43% .
Еще одним направлением развития ПГУ является использование работы ГТУ в комбинированном цикле (рисунок 5.7). В этом случае выхлопные газы газотурбинного двигателя (ГТД) направляют в специальный котел-утилизатор, в котором вырабатывается пар, используемый в дальнейшем в паротурбинном цикле для производства электроэнергии. Электрическая мощность установки, в этом случае, равна суммарной мощности газотурбинного двигателя и паровой турбины.
В последнее время на крупных и средних промышленных предприятиях, особенно там, где имеются собственные котельные для производства технологического пара, наметилась тенденция производства для своих нужд и электрической энергии. Такое направление получило название когенерации. Для целей когенерации в последнее время стали все шире использоваться газотурбинные и парогазовые установки.
Парогазовые и газотурбинные установки, в соответствии с Директивой Президента Республики Беларусь №3, предусматривается использовать в мини-ТЭЦ. Строительство их будет осуществляться на базе существующих или модернизируемых районных и квартальных котельных.
Рисунок 5.7. Использование ГТУ в комбинированном цикле:
1 – газотурбинный двигатель; 2 – котел-утилизатор; 3 – паровая турбина;
4 – электрогенератор; 5 – конденсатор; 6 – резервуар питательной воды;
7 – питательный насос.
На рисунке 5.8 представлена схема парогазовой установки в составе двух ГТД и двух котлов-утилизаторов и одной паровой турбины. Такие установки обладают преимуществом в качестве региональных электростанций, а также электростанций крупных промышленных предприятий в районах с высокой
ценой энергоресурсов.
Рисунок 5.8. Схема ПГУ на базе газотурбинной установки и котла-утилизатора:
1 - газотурбинный двигатель; 2- генератор; 3 - комплектное воздухоочистительное устройство; 4 - котел-утилизатор; 5 - паровая турбина с электрогенератором;
6 – трансформаторная.
5.4. Атомные электростанции
Ядерная энергетика — одна из самых молодых отраслей энергетики. Началом ее обычно считают 1954 г., когда в г. Обнинске была запущена в эксплуатацию первая в мире атомная электростанция.
Привлекательность ядерной энергетики заключается в том, что при делении ядер урана 235U выделяется большое количество энергии. При полном делении 1 кг 235U выделяется 86▪106 МДж (23▪106 кВт ч) энергии, а при сжигании 1 кг каменного угля выделяется только 8 кВт ч энергии. Анализируя эти данные можно сделать вывод, что ядерное топливо эффективнее традиционного органического топлива в 3000000 раз.
Источником ядерной энергии являются тяжелые ядра, для которых возможны ядерные превращения, сопровождающиеся их делением на более легкие ядра.
Рассмотрим процесс деления тяжелых ядер, лежащий в основе работы ядерного реактора АЭС. В состав атомов химических элементов, как известно, входят электрон, протон, нейтрон. Атомы состоят из ядер, вокруг которых вращаются электроны. Сами ядра состоят из очень плотно «упакованных» с помощью ядерных сил нейтронов и протонов.
Деление ядер происходит при бомбардировке их нейтронами. Поскольку нейтрон имеет нулевой заряд, кулоновские силы не могут препятствовать проникновению нейтрона в ядро. Нейтрон, который не связан с тяжелым ядром, попав в него, не изменяет полную энергию связи всех протонов и нейтронов (нуклонов) ядра, но изменяет среднюю энергию связи, приходящуюся на один нуклон, в результате чего эта энергия в новом ядре станет меньше, чем в старом. Нуклоны станут меньше связаны друг с другом, а это приведет к тому, что ядерных сил связи будет недостаточно для удерживания всех нуклонов вместе и происходит деление ядра на два других ядра-осколки (рисунок 5.9). При этом процесс деления сопровождается выделением огромного количества энергии [14]. Одновременно с делением ядра происходит процесс испускания
Рисунок 5.9. Схема расщепления ядра урана-235
нескольких отдельных нейтронов, которые в свою очередь вызывают новые деления ядер.
Высвобождаемая энергия проявляется, в основном, в виде кинетической энергии разлетающихся ядер-осколков. Торможение разлетающихся ядер-осколков окружающей средой приводит к ее разогреву.
В современных атомных электростанциях используются в основном ядерные реакторы на тепловых (медленных) нейтронах.
Ядерным реактором называется устройство, в котором осуществляется и поддерживается управляемая цепная реакция деления ядер радиоактивных элементов. В настоящее время существует несколько типов реакторов, однако всем им присущи некоторые общие черты. Все они имеют активную зону 5 (рисунок 5.10), в которую загружается ядерное топливо 1, содержащее 235U и замедлитель 2 (обычно графит или вода). Для сокращения утечки нейтронов из активной зоны, последнюю окружают отражателем 6, выполненным обычно из того же материала, что и замедлитель. За отражателем снаружи реактора размещается биологическая защита 7 от радиоактивного излучения.
Загрузка реактора ядерным топливом обычно значительно превышает критическую массу. Чтобы по мере выгорания топлива непрерывно поддерживать реактор в критическом состоянии, в активную зону вводят сильный поглотитель нейтронов в виде стержней 3 из карбида бора.
Рисунок 5.10. Схема ядерного реактора:
1 — ядерное топливо; 2 — замедлитель; 3 — управляющий стержень тепловая защита; 4 — выход теплоносителя; 5 — активная зона и теплоноситель; 6 — отражатель; 7 ─ биологическая защита; 8 ─ вход теплоносителя.
Такие стержни называют регулирующими или компенсирующими, поскольку они компенсируют дополнительную нагрузку топлива (избыточную реактивность реактора). По мере выгорания топлива эти стержни постепенно извлекаются из активной зоны. Часть этих стержней используется также для регулирования мощности реактора, осуществляемого с помощью автоматики.
В процессе деления ядер основная доля освобожденной энергии переходит в кинетическую энергию ядер-осколков, при торможении которых замедлителем выделяется теплота, поглощаемая последним. Для отвода тепла от замедлителей они охлаждаются прокачиваемым через активную зону теплоносителем 5.
Атомная электростанция (АЭС) – комплекс технических сооружений, предназначенных для выработки электрической энергии путем преобразования тепловой энергии, выделяемой в ядерном реакторе.
Атомные электростанции классифицируются в соответствии с установленными на них реакторами:
- реакторы на тепловых нейтронах, использующие специальные замедлители для увеличения вероятности поглощения нейтрона ядрами атомов топлива;
- реакторы на лёгкой воде;
- графитовые реакторы;
- реакторы на тяжёлой воде;
- реакторы на быстрых нейтронах.
Принцип работы атомной электростанции такой же, как и тепловой. Отличие состоит лишь в том, что на них тепловую энергию получают не в паровом котле, а в ядерном реакторе.
В зависимости от вида теплоносителя, нагреваемого в атомном реакторе, и способа его использования АЭС делятся на одноконтурные, двухконтурные и трехконтурные. Принципиальные схемы этих АЭС представлены на рисунок 5.11.
Рисунок 5.11. Упрощенная принципиальная схема одно-(а) и двух-(б) контурных АЭС:
1 — ядерный реактор с первичной биологической защитой, 2 — вторичная биологическая защита, 3 — турбина, 4 — генератор, 5 — конденсатор, 6 — питательный насос, 7 — регенеративный теплообменник, 8 — циркуляционный насос, 9 — теплообменник-парогенератор, 10 — промежуточный теплообменник
В одноконтурных АЭС (рисунок 5.11, а) в качестве рабочего тела паротурбинного цикла используется сам теплоноситель. Такая схема наиболее проста и дешева, в ней отсутствуют также дополнительные потери, связанные с получением рабочего тела в двух- и трехконтурных АЭС. Однако в таких АЭС имеется существенный недостаток, связанный с тем, что все оборудование работает в радиационно-активных условиях. Это осложняет эксплуатацию энергоблока.
В двухконтурных АЭС (рисунок 5.11, б) контуры теплоносителя и рабочего тела разделены. В таких схемах реактор охлаждается теплоносителем, прокачиваемым через него и теплообменник-парогенератор циркуляционным насосом. Пар из парогенератора поступает в турбину, затем в конденсатор, откуда после превращения в конденсат питательным насосом подается обратно в теплообменник-парогенератор. Таким образом, на таких АЭС радиоактивным контуром является только первый, т. е. контур теплоносителя. В двухконтурной паротурбинной АЭС обязательным элементом является теплообменник-парогенератор, разделяющий оба контура.
В качестве теплоносителя в двухконтурной АЭС могут быть использованы также и какие-либо органические жидкости или газы. Двухконтурные схемы в настоящее время наиболее распространены [14].
Основными достоинствами АЭС являются:
─ отсутствие вредных выбросов;
─ объем выбросов радиоактивных веществ в несколько раз меньше чем на угольной электростанции аналогичной мощности;
─ небольшой объём используемого топлива, а также возможность его использования после переработки;
─ низкая себестоимость энергии, особенно тепловой.
Недостатки атомных станций:
─ облучённое топливо опасно, требует сложных и дорогих мер по переработке и хранению;
─ нежелателен режим работы с переменной мощностью, это касается реакторов, работающих на тепловых нейтронах;
─ при низкой вероятности инцидентов, последствия их крайне тяжелы;
─ большая величина капитальных вложений, как удельных, на 1 МВт установленной мощности (особенно для блоков мощностью менее 700—800 МВт), так и общих, необходимых для постройки станции, её инфраструктуры, а также в случае возможной ликвидации.
Основным достоинством АЭС является независимость от источников сырья (урановых месторождений) благодаря компактности горючего, легкости его транспортировки и продолжительности использования. Так на Нововоронежской АЭС на выработку 1 млн. кВт∙ч электроэнергии расходуется всего около 200 г урана.
Современные АЭС на тепловых нейтронах имеют КПД несколько ниже, чем у блочных КЭС сверхкритических параметров. Капиталовложения на 1 кВт установленной мощности у них выше, хотя себестоимость вырабатываемой электроэнергии, как правило, ниже.
По данным МАГАТЭ сегодня в 31 стране мира действуют 442 ядерных реактора. Большинство АЭС (49%) располагаются в трех странах: США – 103 АЭС, Франции – 59, Японии – 54 АЭС и все они вместе вырабатывают 57% всей ядерной электроэнергии. По прогнозам МАГАТЭ, к 2020 году в мире появятся еще 60 новых АЭС, а производство электроэнергии на АЭС увеличится на 65% и составит около 30% от мировой выработки.
Наибольшую долю электрической энергии, вырабатываемой на АЭС, в суммарном энергопроизводстве имеют Литва ─ 80%, Франция ─ 76%, Словакия – 57%, Бельгия ─ 55%, Швеция ─ 50%, Украина ─ 47%, Швейцария, Словения и Венгрия ─ по 40%, Германия, Финляндия и Германия – 25%.
5.5. Гидравлические и гидроаккумулирующие электростанции
На гидроэлектростанциях (ГЭС) электрическая энергия получается в результате преобразований кинетической энергии водного потока. Каждая ГЭС состоит из:
Вода, попадая из водохранилища по напорному водоводу на лопасти рабочего колеса, вращает его, а вместе с ним и ротор электрогенератора, вырабатывающего электроэнергию.
По схеме использования водных ресурсов и концентрации напоров ГЭС обычно подразделяют на русловые, приплотинные, деривационные, смешанные, гидроаккумулирующие и приливные.
Существуют две основные схемы концентрации напора гидротехническими сооружениями — плотинная и деривационная.
В плотинной схеме предусмотрено сооружение плотины, перегораживающей русло реки (рисунок 5.12), в результате чего образуется разность уровней воды в верховой и низовой по течению сторонах плотины. Создающееся при этом водохранилище позволяет регулировать постоянный напор и расход воды. Мощность водного потока Ро определяется по формуле:
Ро = Q∙ρ∙g∙Hгэс,
где Q – объем воды, расходуемый через плотину в единицу времени, м3/с; ρ – плотность воды, кг/м3; g – ускорение свободного падения, м/с2; Нгэс – напор воды, создаваемый плотиной, м.
Напор воды определяется как разность между верхним уровнем воды со стороны водохранилища (назы-вается верхним бьефом) и уровнем реки с низовой стороны (нижний бьеф). Разность уровней верхнего zв.б и нижнего zн.б бьефов создает необходимый напор гидроэлектростанции Нгэс..
В состав сооружений приплотинной ГЭС, кроме плотины, входят здание ГЭС
Рисунок 5.12. Плотинная схема и водосбросные сооружения (рисунок 5.13).
концентрации напора Состав гидротехнических сооружений зависит от высоты напора и установленной мощности. У приплотинной ГЭС здание с размещенными в нём гидроагрегатами размещается за плотиной и не воспринимает напор.
В соответствии с назначением гидроузла в его состав могут входить судоходные шлюзы или судоподъёмник, рыбопропускные сооружения, водозаборные сооружения для ирригации и водоснабжения.
В практике, где это, возможно, получают широкое распространение гидроаккумулирующими электростанциями (ГАЭС).
Процесс гидравлического аккумулирования энергии сводится к следующему. В ночное время, когда нагрузка энергосистемы сильно снижается, включаются электродвигатели насосов ГАЭС, накачивающие воду из нижнего бассейна в верхний (рисунок 5.14).
В периоды пиков нагрузки энергосистемы запасенная в верхнем бассейне вода пропускается через турбины ГАЭС и находящиеся на одном валу с ними генераторы вырабатывают электроэнергию.
Рисунок 5.13. Здание приплотинной ГЭС:
/ — машинный зал; 2 — генератор; 3 — спиральная камера; 4 — отсасывающая труба;
5 — турбинный трубопровод; 6 — водоприемник; 7 — решетка; 8 — плоский затвор;
9 — подъемный механизм затвора; 10 — ВЛ на подстанцию.
Рисунок 5.14. Схема гидроаккумулирующей электростанции:
1 — верхний бассейн, 2 — напорный трубопровод, 3 — здание ГЭС, 4 — нижний бассейн, 5 — уравнительный резервуар, 6 — водоприемник
Нижним бассейном (бьефом) такой ГАЭС могут служить водохранилища или реки, а в качестве верхнего бассейна (бьефа) используется существующее озеро, имеющее или не имеющее естественную приточность воды, или специально созданное на определенной высоте водохранилище [14].
Достоинством ГАЭС в современных условиях работы энергетических систем является то, что она искусственно создает гидроэнергетические ресурсы, что важно для тех районов, где этих ресурсов недостаточно. Кроме того, ГАЭС играют существенную роль в покрытии суточного графика нагрузки системы, создавая дополнительную нагрузку в часы ночного провала электропотребления и пиковую мощность в часы повышенного спроса на электроэнергию.
Коэффициент полезного действия ГАЭС определяет КПД насосного и турбинного режимов. Поэтому он будет меньше, чем КПД ГЭС, и обычно не превосходит 70—78%.
Экономическая эффективность ГАЭС в значительной мере определяется используемым напором. Чем больше напор, тем меньшими объемами водохранилищ можно обойтись для одной и той же установленной мощности. Поэтому высоконапорные ГАЭС имеют лучшие технико-экономические показатели.
Всего в мире эксплуатируется и строится свыше 200 ГАЭС, охватывающих диапазон напоров от нескольких метров до 1770 м.
Республика Беларусь — преимущественно равнинная страна, тем не менее, ее гидроэнергетические ресурсы достаточно существенны. Энергетическая программа Республики Беларусь до 2010 г. в качестве основных направлений развития малой гидроэнергетики в республике предусматривает:
• восстановление ранее существовавших малых гидроэлектростанций на существующих водохранилищах путем капитального ремонта и частичной замены оборудования;
• сооружение новых малых ГЭС на водохранилищах неэнергетического назначения без затопления;
• сооружение малых ГЭС на промышленных водосбросах;
• сооружение бесплотинных (русловых) ГЭС на реках со значительными расходами воды.
Как правило, все восстанавливаемые и вновь сооружаемые малые ГЭС будут работать параллельно с энергосистемой, что позволит значительно упростить схемные и конструктивные решения.
Общую мощность малых ГЭС в республике предполагается довести к 2010г. до 100 МВт установленной мощности, что обеспечит экономию 120 тыс. т У.Т. в год.
Одним из высокоприоритетных белорусских национальных проектов является создание каскада из четырех ГЭС общей мощностью 132 МВт на реке Западная Двина с обеспечением специальных мер по минимизации затопления. Бассейны рек Западная Двина и Неман, протекающих по территории Беларуси, относятся к зонам высокого гидроэнергетического потенциала. Использование этого гидроэнергетического ресурса намечалось еще в 40 годах путем строительства многоступенчатых каскадов ГЭС. В настоящее время разработан проект создания каскада 4 ГЭС на р. Западная Двина со строительством ГЭС в районе Витебска, Бешенковичей и Полоцка и еще одной ниже по течению с общей установленной мощностью 132 МВт и ежегодной выработкой электроэнергии 530 млн. кВт∙ч. Требуемые капитальные вложения для реализации этого проекта составляют около 120 млн. долларов США. Аналогичный проект разработан и для р. Неман со строительством ГЭС в районе г. Гродно и д. Немново с общей установленной мощностью каскада 45 МВт и ежегодной выработкой электроэнергии 180 млн. кВт∙ч. Этот проект требует около 40 млн. долларов США капитальных вложений.
В 2008г. принято решение о строительстве в Минске двух малых ГЭС. Одна из них будет на водосбросе Чижовского водохранилища, а вторая – на водосборнике ТЭЦ – 3.
Вопросы для самоконтроля по теме 5.
ТЕМА 6. НЕТРАДИЦИОННЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ. Гелиоэнергетика.
6.1 Общие положения
Основой научно-технического прогресса и связанного с ним экономического развития общества является его энерговооруженность. На сегодняшний день энергопроизводство добавляющей энергии на Земле достигло величины примерно 1010 кВт, т.е. в среднем около 2,0 кВт на каждого жителя. Уровень энергопроизводства в 10 – 12 кВт на человека, который на сегодняшний день достигнут в индустриальных странах, через некоторое время будет реализован и в других странах. Учитывая, что предел энергопроизводства добавляющей энергии на Земле по экологическим условиям не должен превышать 1011 кВт, то предельная численность населения не должна быть больше 10 млрд. человек. По прогнозам демографов численность населения на Земле к 2050 году может составить более 10 млрд. человек. Таким образом, глобальное обеспечение органическими энергоресурсами прогнозируемого мирового энергопотребления принципиально ограничено.
Исходя из этого, очевидно, что уже сейчас необходимо думать о сокращении потребления органических энергоресурсов, и переходе возобновляемые источники энергии (ВИЭ) на энергоресурсы недобавляющие энергию в биосферу Земли. Все это является еще одним веским аргументом в пользу развития нетрадиционной энергетики.
В законе Республики Беларусь "Об энергосбережении" дано определение понятия "нетрадиционные и возобновляемые источники энергии". В соответствии с этим определением к ним относят источники электрической и тепловой энергии, использующие: энергию солнца, ветра, биомассы (включая древесные отходы), твердые бытовые отходы, энергию сточных вод, промышленных водостоков и т.п.
6.2. Прямое преобразование солнечной энергии в тепловую энергию.
Солнце ежесекундно излучает 370∙1012 ТДж тепловой энергии. Но из этого количества теплоты на землю попадает, в энергетическом эквиваленте, только 1,2∙1014 кВт, т.е. в 108 раз больше, чем на сегодняшний день потребляется в мире. Солнечная энергия передается на Землю в виде электромагнитного излучения, проходящего путь в космосе от Солнца до Земли. Плотность потока солнечного излучения составляет примерно 1 кВт/м2, но это длится всего лишь в течение 1 – 2 ч в разгар летнего дня на широтах, близких к экватору. В большинстве районов средняя величина облучение составляет 200 – 250 Вт/м2. Сравнивая эту величину со значением средней плотности энергии искусственно созданной человеком, которая составляет всего 0,02Вт/м2, следует отметить, что она в 10000 раз больше.
Люди издавна ощущали могущество Солнца, и в связи с большим потенциалом солнечной энергии, для них всегда было заманчиво максимально использовать ее для своих нужд.
Преобразование солнечной энергии в тепловую энергию происходит следующим образом. Атомы и молекулы вещества или материи, поглощая электромагнитное излучение, преобразуют его в кинетическую энергию их хаотического движения, т.е. тепловую энергию. Следствием этого процесса является повышение температуры материи или вещества.
Для прямого преобразования солнечной энергии в тепловую энергию широко используются: гелиоподогреватели (солнечные водоподогреватели), подогреватели воздуха и солнечные коллекторы.
6.2.1. Гелиоподогреватели (солнечные водоподогреватели).
В практике использования солнечной энергии наиболее распространенным является способом использования солнечного излучения для нагрева воды в системах отопления и горячего водоснабжения.
Основным элементом гелиоподогревателя является приемник, в котором происходит поглощение солнечного излучения и передача энергии теплоносителю. Наибольшее распространение получили плоские (нефокусирующие) приемники, позволяющие собирать как прямое, так и рассеянное солнечное излучение, что позволяет им работать также и в облачную погоду. С учетом их относительно невысокой стоимости они являются предпочтительными для нагревания жидкостей до температур не выше 100°С [11].
В практике используют простые и сложные схемы приемников солнечного излучения. На рисунке 6.1 представлены различные варианты приемников солнечного излучения. Простые приемники (рисунок 6.1. а) содержат весь объем жидкости, которую необходимо нагреть. Приемники сложной конструкции (рисунок 6.1. б, в) нагревают за определенное время только небольшое количество жидкости, которая затем, как правило, накапливается в отдельном резервуаре (тепловом аккумуляторе), что позволяет снижать теплопотери системы в целом [11].
Рисунок 6.1, а — открытый резервуар на поверхности земли (например, бочка с водой, бассейн) — простейший нагреватель воды. Повышение температуры воды в нем ограничено высоким коэффициентом отражения солнечных лучей с поверхности воды, теплоотдачей части тепловой энергии земле и воздуху, а также потерей части поглощенного тепла на испарение воды.
Рисунок 6.1. Схемы приемников гелиоподогревателей.
Рисунок 6.1, б — вакуумированый подогреватель. Он представляет собой конструкцию, состоящую из стеклянной внешней трубки внутри которой помещается черная металлическая трубка, внутри которой циркулирует жидкость. В пространстве между трубками создается вакуум, исключающий перенос тепла от внутренней трубки наружу.
Рисунок 6.1, в — проточный нагреватель. В конструкции данного нагревателя вода циркулирует по параллельным трубкам 3, закрепленным на зачерненной металлической поглощающей пластине 4. Поглощающая пластина выполняется за одно целое с проточными трубками и покрывается черной матовой краской. Поглощающая пластина с трубками помещается в изолированный контейнер 1, закрываемый сверху стеклянной крышкой 2.
Нагретая в гелиоподогревателе вода может использовать сразу или накапливаться в тепловом аккумуляторе, представляющим собой емкость с теплоизолированными стенками. Схема гелиоподогревателя с естественной циркуляцией жидкости приведена на рисунке 6.2.
Рисунок 6.2 Нагревательная система с естественной циркуляцией.
6.2.2. Подогреватели воздуха.
Энергию солнечного излучения можно использовать для подогрева воздуха, который в дальнейшем расходуется для обогрева помещений, а также просушивания зерна, травы, фруктов и т.п. Значительная часть урожая сельхозпродукции в мире теряется вследствие поражения плесневым грибком, которое можно предупредить своевременным просушиванием. В связи с тем, что на обогрев зданий в странах с холодным климатом расходуется до половины энергетических ресурсов, то можно частично разгрузить теплоэнергосистему, используя подогретый воздух для отопления зданий или путем постройки зданий специальной конструкции, предусматривающих использование солнечного тепла, для целей отопления (рисунок 6.3) [11].
Рисунок 6.3 Жилой дом со "стеной Тромба".
1- солнечная стена; 2- окно; 3- наружное остекление; 4- поглощающая черная поверхность;
5- подвал.
Источник: Твайдел Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии. –М., 1990.
Поскольку теплопроводность воздуха намного ниже, чем воды, передача энергии от приемной поверхности к теплоносителю (воздуху) происходит намного слабее. Поэтому Поглощающие пластины у этих нагревателей изготавливают шероховатыми (для турбулизации потока) и имеющими большую площадь поверхности соприкосновения с воздушным потоком [10].
На рисунке 6.4 изображены два варианта исполнения подогревателей воздуха. Во втором варианте используются сетчатые приемники солнечного излучения для увеличения контактной поверхности и создания турбулентного движения потока воздуха с целью увеличения теплообмена.
Рисунок 6.4. Подогреватели воздуха.
1 — стеклянное покрытие; 2 — шероховатая черная поглощающая поверхность; 3 — пористая поглощающая пластина, 4 — изоляция
Источник: Твайдел Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии. –М., 1990.
6.2.3. Солнечные коллекторы (концентраторы солнечной энергии).
В некоторых случаях требуются более высокие температуры, чем те, которые могут создать плоские приемники. Эта проблема решается с помощью солнечных коллекторов.
Солнечный коллектор состоит из концентратора солнечной энергии и приемника. Концентратор представляет собой оптическую систему, собирающую солнечное излучение с большой поверхности и направляющую его на приемник. Приемник поглощает солнечное излучение собранное концентратором и преобразует его в любой другой вид энергии. Концентратор имеет свободу вращения, которое обеспечивает ему ориентацию на Солнце. Чаще всего он представляет собой зеркало параболической формы, в фокусе которого располагается приемник излучения (рисунок 6.5).
Слежение
Рисунок 6.5. Солнечный коллектор с параболическим концентратором: 1 — зеркало; 2 — приемник
Источник: Твайдел Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии. –М., 1990.
Солнечные коллекторы позволяют получать тепловую энергию достаточную для работы теплового двигателя с приемлемым коэффициентом полезного действия. Например, солнечный коллектор с параболический зеркалом диаметром 30 м, позволяет сконцентрировать мощность излучения в приемнике порядка 700 кВт, что дает возможность получить до 200 кВт электроэнергии.
6.3. Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую.
Преобразование солнечной энергии в электрическую может происходить посредством солнечных коллекторов, обеспечивающих получение тепловой энергии с последующим ее преобразованием в электрическую, или непосредственным ее преобразованием с помощью специальных приборов. Работа таких приборов основана на использовании физического явления, получившего название фотоэффекта.
Взаимодействие солнечного излучения с окружающей средой характеризуется следующими физическими параметрами.
Поток излучения солнечного света – величина, равная количеству энергии, переносимой потоком фотонов, распространяющихся в виде электромагнитных волн за 1 секунду через произвольную поверхность. Единицей измерения является Вт = 1 Дж/с.
Плотность потока излучения (энергетическая освещенность) – отношение потока излучения через поверхность, расположенную перпендикулярно направлению переноса энергии, к величине площади этой поверхности (Вт/м2).
Световой поток – мощность светового излучения, оцениваемая по его восприятию человеческим глазом, которая зависит от длины волны излучения. Единицей измерения является люмен (лм).
Освещенность – величина равная отношению светового потока, падающего на поверхность, к площади освещаемой поверхности. Единицей измерения является люкс (лк) = 1 лм / м2.
Фотоэффект – электрическое явление, происходящее в веществе или материале при освещении его светом. Различают три вида фотоэлектрического эффекта: внешний, внутренний и вентильный фотоэффекты.
Внешний фотоэффект (фотоэлектрическая эмиссия) - испускание электронов веществом под действием падающего на него света. Внутренний фотоэффект заключается в освобождении связанных с атомом электронов внутри вещества под действием света, что приводит к изменению электрической проводимости вещества. Вентильный фотоэффект (фотоэффект запирающего слоя) связан с перемещением зарядов через границу раздела полупроводников с различными типами проводимости (p-n).
Основным полупроводниковым материалом, используемым при изготовлении фотоэлектрических приборов, является кремний.
Рассмотрим структуру солнечного элемента с p-n переходом. Она включает в себя (рисунок 6.6): слой полупроводника с n-проводимостью и слой полупроводника с p-проводимостью. На границе разделов двух полупроводников образуется р-п переход.
Рисунок 6.6. Структура солнечного элемента.
При освещении р-n перехода солнечным светом, фотоны света проникают через полупрозрачный слой р-полупроводника в р-n переход и ионизируют атомы кремния (Si) 1, создавая при этом новые пары носителей заряда – "дырки" (р) 2 и электроны (n) 3. Образовавшиеся, в зоне р-n перехода, электроны 3 под воздействием потенциального поля Ез переносятся в область n-полупроводника, а "дырки", соответственно, в область p-полупроводника. Это приводит к образованию избытка "дырок" в слое р и электронов в слое n. Разность потенциалов между слоями n и р вызывает прохождение по внешней цепи Rн фототока Iф, обусловленного движением электронов из области n–полупроводника в по внешней цепи в область p-полупроводника.
Работа солнечных элементов характеризуется коэффициентом преобразования. Он представляет собой отношение плотности потока излучения, падающего на элемент, к максимальной электрической мощности вырабатываемой им. Кремниевые солнечные элементы имеют коэффициент преобразования равный 10-15 %.
Последовательно соединенные солнечные элементы представляют собой солнечный модуль. Такое соединение позволяет повысить величину вырабатываемого модулем напряжения. Для повышения мощности электрического тока солнечные модули в свою очередь соединяют параллельно в солнечные батареи.
Первые солнечные батареи были использованы США в космической технике и до настоящего времени являются основными источниками электроэнергии в космических аппаратах. Они также получили широкое использование и в земных условиях для питания различных электроприборов, используемых в быту на транспорте и т.п. Например, экспериментальный фотоэлектрический дом в Центре солнечной энергии (США, Флорида) имеет крышу площадью 200 м2, которая целиком покрыта солнечными батареями, производящими вместе около 800 кВт∙ч электроэнергии в месяц. Получаемая от Солнца энергия обеспечивает 75% всех потребностей здания в электроэнергии.
Возможность массового производства и использования солнечных батарей для выработки электроэнергии связана с трудностями, возникающими при создании технологий и материалов, позволяющих снизить стоимость установленной мощности примерно в 5 раз, до 1 – 2 долл./Вт, а стоимость электроэнергии до 0,10 – 0,12 долл./кВт∙ч. Принципиальным ограничением для такого снижения стоимости является высокая стоимость кремния солнечного качества – 40 – 100 долл./кг. Поэтому создание новых технологий получения кремния, обеспечивающих радикальное, на порядок, снижение его стоимости, является задачей номер один в перечне альтернативных технологий в энергетике.
В 1990 году фирмой "Симменс" была достигнута величина КПД элементов из солнечного кремния составляющая 14,2%. Технология "Симменс" предусматривала использование особо чистых кварцитов. Новая технология производства кремния солнечного качества позволила получить выход кремния 80-85% и стоимость кремния 5-15 долл./кг. В случае применения этой технологии в широких масштабах стоимость солнечных элементов составит 0,7-1,4 долл./Вт, а модулей - 1,0 - 2,0 долл./Вт. Стоимость вырабатываемой ими электроэнергии составит 0,10 - 0,12 долл./кВт∙ч.
В 1992 году на двух заводах объединения "Интеграл" в Минске освоено массовое производство солнечных элементов по технологии, разработанной в соответствии с программой "Экологически чистая энергетика" во Всероссийском научно-исследовательском институте электрификации сельского хозяйства Россельхозакадемии. Производственные мощности этих заводов позволяют выпускать ежегодно 1-2 МВт солнечных элементов и модулей без перестройки основного производства.
6.4. Примеры использования солнечной энергии
Республика Беларусь расположена между 51о и 56о северной широты и относится к району с умеренной солнечной радиацией. Средняя плотность солнечного излучения на горизонтальную поверхность земли составляет около 200 Вт/м2. Фактическое количество солнечных часов в году на широте Минска составляет – 1800 ч. В среднем за год насчитывается 28 ясных, 170 дней с переменной облачностью и 167 пасмурных.
В Республике Беларусь предполагается использовать солнечную энергию по следующим направлениям:
Около 40 % всего расходуемого в стране топлива идет на теплоснабжение зданий. Находящиеся в эксплуатации дома имеют значительное теплопотребление, составляющее более 250 кВт∙ч/м2. Если проектирование зданий проводить с учетом энергетического потенциала климата местности и условий для саморегулирования теплового режима зданий, то расход энергии на теплоснабжение можно сократить на 20—60 %. Так, строительство домов на принципах "солнечной архитектуры" может снизить удельное годовое теплопотребление до 70—80 кВт∙ч/м2 [3]. Использование гелиоподогревателей позволит обеспечить такие дома теплом, и горячим водоснабжением.
Для изучения эффективности работы гелиосистем в условиях нашей страны в Институте проблем энергетики НАН Беларуси создана установка для подогрева воды, поступающей в котельную, отапливающую, находящийся в пригороде Минска, поселок "Сосны" и промплощадку. Вода нагревается с помощью гелиоподогревателей, смонтированных на крыше здания котельной. Установка оборудована соответствующей измерительной аппаратурой, позволяющей проводить испытания и оценивать эффективность различных конструкций гелиоподогревателей.
В Беларуси с 1991г. фирма "Электрет" занимается созданием производства солнечных элементов и изделий с их применением.
В настоящее время построен и работает цех по выпуску элементов мощностью 250 кВт/год. Благодаря современным технологиям обработки поверхности, применению серебросодержащих паст для создания металлизации, способу герметизации элементов в батареях достигнут КПД – 13-15%, а себестоимость элементов на уровне 3-3,5 долл./Вт. В настоящее время ведутся работы по снижению себестоимости до 2,8-3,3 долл./Вт.
Солнечные элементы используются для изготовления источников питания радиоаппаратуры, электропастухов в зоне Полесского заповедника. Ведется внедрение солнечных батарей для освещения передвижных доильных установок, зарядки аккумуляторных батарей питания устройств связи, электрообеспечения постов наблюдения за пожарами в лесах, энергообеспечения отдельных коттеджей.
Завод "Измеритель" (г. Новополоцк) выпускает базовые солнечные модули для автономных источников энергоснабжения систем навигации, связи, дорожного обслуживания, бытовой техники.
Представляют определенный интерес примеры использования солнечной энергии в разных странах.
Так, например, в Англии свои потребности в тепловой энергии жители сельской местности покрывают на 40—50 % за счет использования солнечной энергии.
В условиях Германии гелиоподогреватель площадью 9 м2 способен обеспечивает теплом семью из 4 человек. Современные гелиоустановки могут обеспечить потребности сельского хозяйства в теплой воде в летний период на 85 - 90%, а в зимний — на 25 - 30 %. Экспериментально определено, что для удовлетворения на 80% потребностей 1 человека в теплой воде в жилых домах в сельской местности требуется энергетическая установка, состоящая из гелиоподогревателя площадью 2 - 3 м2 и изолированный бак для горячей воды на 100 – 150 литров.
Наиболее эффективно солнечные энергоустановки эксплуатируются в южных странах Европы, таких как - Греция, Португалия, Испания, Франция.
В целом по Европейскому союзу из солнечной энергии вырабатывается 185600 МВт ч тепловой энергии в год (по данным 1992 г.).
Наибольшей суммарной площадью установленных солнечных коллекторов располагают: США — 10 млн. м2, Япония — 8 млн. м2, Израиль — 1,7 млн. м2, Австралия — 1,2 млн. м2 [3].
Вопросы для самоконтроля по теме 6
ТЕМА 7. Ветро- и биоэнергетика.
7.1. Ветроэнергетика
7.1.1 Ветроэнергетика и энергия ветра.
Ветроэнергетика – раздел энергетики связанный с преобразованием энергии ветра в электрическую энергию.
Ветер представляет собой перемещение воздушных масс, вызванное большими перепадами температур и давления, которые являются следствием различной интенсивности солнечного излучения, падающего на большие площади на разных географических широтах. Ветер обладает скоростью и направлением.
Энергия ветра – это преобразованная энергия солнечного излучения.
Человек начал использовать энергию ветра с незапамятных времен – достаточно вспомнить парусный флот, который был уже у древних финикиян, и ветряные мельницы. Энергия ветра отличается своей доступностью и дешевизной.
Годовой потенциал энергии ветра огромен, и он в 100 раз превышает запасы гидроэнергии всех рек земного шара.
В мире неуклонно растет использование энергии ветра. Прогнозируется, что в ближайшие десять лет доля энергии, производимой ветроэлектростанциями планеты, может достигнуть 5 % от ее общего объема.
Подсчитано, что в течение первого десятилетия 21 века энергия ветра может обеспечить 10% потребности Европы в электроэнергии. Используя большие неосвоенные запасы энергии ветра на морском побережье, европейские страны могут увеличить мощность ветроэнергетических установок до 40 тыс. МВт в 2010г. и до 100 тыс. МВт в 2020 году. Учитывая, что суммарная мощность ветроэнергетических установок (ВЭУ) в Европе в 2000г. составляла примерно 8 тыс. МВт, то это свидетельствует о значительных темпах развития этого сектора экономики.1
7.1.2 Принцип действия и классификация ветроэнергетических установок.
Принцип действия ВЭУ прост: движущийся горизонтально поток ветра, обладающий поступательной кинетической энергией, воздействует на рабочий орган ВЭУ – ветроколесо, заставляя его вращаться и сообщая ему кинетическую энергию вращения ротора.
Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) предназначена для превращения кинетической энергии ветра в энергию вращения ротора ветроколеса и
____________________
1 Гребенщиков В. Ветроэнергетика: новые перспективы// Энергоэффективность. 2002. №9. – С. 19 – 21.
соответственно ротора электрогенератора, для выработки электроэнергии.
Рисунок 7.1. Ветроэнергетические установки
Современные ветроэнергетические (рисунок 7.1.) установки используют ветер приземного слоя на высоте 50-70 м, реже до 100 м от поверхности Земли, причем для мест строительства крупных ветроэнергетических станций, предназначенных для работы в мощных энергосистемах, среднегодовая скорость ветра на флюгера (10 м) должна составлять не менее 6 м/с. Следует учитывать, что наилучшим местом для размещения ветроустановки является гладкая, куполообразная, ничем не затененная возвышенность.
Ветроустановки классифицируются по следующим признакам:
По положению оси вращения ветроколеса относительно направления ветра в настоящее время существуют два основных типа промышленных ветроустановок:
По мощности ветроустановки делятся на:
Часто, для увеличения мощности ВЭУ, вместо увеличения диаметра ветроколеса устанавливают некоторое количество ветроустановок с заданным диаметром ветроколеса. Группу совместно работающих и территориально совмещенных ВЭУ принято называть ветроэлектрической станцией (ВЭС).
Рисунок 7.2. Вертикально-осевая ветроэнергетическая установка
7.1.3 Опыт использования энергии ветра за рубежом и в РБ.
По оценкам зарубежных специалистов, площадь, на которой среднегодовая скорость ветра на высоте 8 – 10 м превышает 6 м/с, составляет 25% поверхности земли. С учетом всех ограничений к 2020г. можно установить ВЭУ общей мощностью около 450 млн. кВт со среднегодовой выработкой электроэнергии более 900 млрд. кВт∙ч, что составит примерно 3,5% от вырабатываемой в мире электроэнергии. Толчком к подъему интереса по использованию энергии ветра в Европе послужило принятие многими странами Акта об энергосбережении и подписание ими Киотского протокола. По этим документам все страны ЕС принимают на себя обязательства по снижению выбросов в атмосферу двуокиси углерода. Принятая недавно в Евросоюзе директива предусматривает повышение использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии и к 2010 году 12% энергии должно быть произведено из этих источников.
Признанными лидерами в области ветроэнергетики являются следующие страны с установленной мощностью ВЭС (МВт): Германия – 4440, США – 1830, Дания – 1760, Испания – 1225, Швеция – 500, Великобритания – 353 и т.д.
По мере совершенствования оборудования ВЭУ и увеличения объема их выпуска удельная стоимость ВЭУ, а следовательно, и стоимость производимой ими энергии снижаются. Если в 1981 году стоимость производимой на ВЭС электроэнергии составляла 0,3 долл./кВт∙ч, то в настоящее время она составляет 0,07 долл./кВт∙ч. Удельная стоимость установленной мощности в ветроэнергетике для ВЭУ мощностью 500 – 600 кВт составляет около 1000 долл./кВт.
В Беларуси существуют так называемые ветровые коридоры, где на высоте 40 м от земли скорость ветра устойчива. В результате проведенного мониторинга определено около 1840 таких мест, где установка ВЭУ возможно по экономическим и техническим параметрам. Больше всего таких мест находятся в Минской и Гродненской областях, потому что если над большей частью территории Беларуси среднегодовая скорость ветра колеблется в пределах 1-6 м/с, то в этих регионах - 5,3-6,1 м/с.
На сегодняшний день в нашей республике построены пока только три крупные ветроэнергетические установки: две в Мядельском районе (мощностью 250 и 600 кВт) и одна в Дзержинском (250 кВт). Кроме того, кое-где используется аналогичное оборудование малой мощности. В целом же по состоянию на начало 2005 года общая мощность белорусских ветроэлектростанций составила 1,1 МВт1.
Планируется, что в ближайшем будущем парк ветроэнергетических установок в Беларуси увеличится: суммарная мощность новых ветроэлектростанций составит 2270 кВт. А усредненные капитальные вложения в их строительство оцениваются около одной тысячи долларов США на киловатт установленной электрической мощности.
Производство электроэнергии на ВЭУ и доля ветроэлектроэнергии в общем объеме производства электроэнергии в различных странах Европы приведены на рисунок 7.4.
Рисунок 7.4 Производство электроэнергии на ВЭУ в различных странах Европы.
Источник: Иванюк Т. Деньги из ветра? Или деньги на ветер?//Экономика Беларуси.– 2005. №3.- С.26-28.
_________________________________
1 Иванюк Т. Деньги из ветра? Или деньги на ветер?//Экономика Беларуси.– 2005. №3.- С.26-28.
7.2. Биоэнергетика
7.2.1. Основные понятия. Источники биомассы.
Биоэнергетика — это раздел энергетики, работа которого основана на использовании энергии биотоплива (биомассы). Она включает в себя использование отходов жизнедеятельности и органических отходов, а также искусственно выращиваемой биомассы (водорослей, быстрорастущих деревьев).
Под термином "биомасса" подразумеваются сложный комплекс веществ животного и растительного происхождения, основой которого являются органические соединения углерода.
Биомасса — наиболее дешевая и крупномасштабная форма аккумулирования возобновляемой энергии. Биомасса будет на Земле до тех пор, пока светит Солнце и на ней существует жизнь. Ежегодный прирост органического вещества на Земле эквивалентен производству такого количества энергии, которое в десятки раз больше годового потребления энергии всем населением Земли. В 2001г., при общем производстве энергии в мире, соответствующем 14,3 млрд. т У.Т., вклад биомассы составил 1,57 – 1,72 млрд. т У.Т., а суммарный вклад всех возобновляемых источников энергии (ВИЭ) – 1,94 млрд. т У.Т. По прогнозам специалистов, к 2040г. общее потребление энергии в мире достигнет 19,3 млрд. т У.Т. (100%), вклад всех видов ВИЭ – 9,2 млрд. т У.Т. (47,7%), вклад биомассы – 4,59 млрд. т У.Т. (23,8%). ЕС к 2010г. планирует довести вклад биоэнергетики в общий баланс производства энергии до 12%.
Источники биомассы, характерные для нашей республики, могут быть разделены на следующие группы:
1. Продукты естественной вегетации (древесина, древесные отходы, торф, листья и т.п.).
2. Отходы жизнедеятельности людей, включая производственную деятельность (твердые бытовые отходы, отходы промышленного производства и др.).
3. Отходы сельскохозяйственного производства (навоз, куриный помет, стебли, ботва и т.д.).
4. Специально выращиваемые высокоурожайные агрокультуры и растения [3].
Биотопливо является возобновляемым источником энергии и энергия, произведенная на его основе, относится к так называемой "зеленой энергии".
Среди основных видов энергетических процессов, связанных с переработкой биомассы, можно выделить следующие: термохимические, биохимические и агрохимические.
7.2.2. Термохимические процессы переработки биомассы.
К этим процессам относят:
─ Прямое сжигание биомассы с целью получения тепловой энергии.
─ Пиролиз (сухая перегонка) – это термохимическая конверсия сырья при температуре 500 – 1500оС. Биомассу нагревают либо в отсутствие воздуха, либо за счет сгорания некоторой ее части при ограниченном доступе воздуха или кислорода. Состав получающихся при этом продуктов чрезвычайно разнообразен. Здесь и газы, и жидкий конденсат в виде смол и масел, и твердые остатки в виде древесного угля. Изменение состава продуктов пиролиза зависит от температурных условий, типа вводимого в процесс сырья, способов ведения процесса [11].
Одно из направлений пиролиза – это термохимическая конверсия сырья при температуре 550 – 600оС без доступа воздуха, позволяющая получить твердый вид топлива - древесный уголь. Это процесс пиролиза древесины идет без сбора паров и газов, остающийся твердый остаток и представляет собой древесный уголь. Максимальная массовая доля древесного угля составляет 25 – 35% от исходного сырья. Древесный уголь на 75 – 85% состоит из углерода и обладает теплотворной способностью около 30 МДж/кг.
КПД пиролиза определяется как отношение теплоты сгорания полученного в результате пиролиза топлива к теплоте сгорания биомассы, являющейся исходным сырьем. Величина КПД может составлять 80 - 90%.
Другим направлением пиролиза является процесс, направленный на получение газообразного топлива. Процесс идет при температуре 900 – 1500оС. Смесь выделяющихся при пиролизе газов носит название генераторный газ, древесный газ или синтезгаз. Чаще используется название – генераторный газ.
Процесс пиролиза, направленный на получение газовой фракции получил название газификации. Установки, предназначенные для получения из биомассы генераторного газа, называются газогенераторами установками. Один из вариантов принципиальной схемы установки, предназначенной для ведения пиролиза, приведен на рисунке 7.5. Наиболее предпочтительными считаются вертикальные устройства, загружаемые сверху.
Изначальным сырьем для газогенераторов могут служить древесина и древесные отходы, твердые бытовые и промышленные отходы, органическое топливо (бурый уголь, сланцы, торф и т.д.).
Например, газогенератор на древесине может до 80% исходной энергии перерабатывать в горючие газы (преимущественно Н2 и СО), пригодные для сжигания в топках печей или как топливо для обычных бензиновых двигателей. Получаемый генераторный газ преимущественно состоит на 80% из водорода (Н2), на 14 – 15% из окиси углерода (СО), и некоторых других газообразных составляющих. Это газообразное топливо более удобно в эксплуатации, более экологично и транспортабельно, чем исходная биомасса. Химические продукты пиролиза пользуются спросом и как ингредиенты процессов последующей переработки, и непосредственно в качестве товарной продукции.
Рисунок 7.5. Принципиальная схема газогенераторной установки.
Работа газогенератора заключается в следующем. Сверху в газогенератор загружается древесина. Часть древесины в нижней части газогенератора сжигается при ограниченном подводе воздуха для нагрева всей остальной части загруженной биомассы. В процессе газификации получается генераторный газ вместе с которым из газогенератора так же выходят пары летучих химических веществ, очистка от которых происходит в фильтре. На выходе из фильтра газ проходит через теплообменный агрегат для снижения его температуры и поступает в хранилище газа – газгольдер. Теплота, отбираемая теплообменными аппаратами, используется в различных технологических процессах, например, для сушки исходного сырья, отопления и т.п.
7.2.3. Биохимические процессы переработки биомассы.
К этим процессам относят: спиртовую ферментацию и анаэробное сбраживание.
Спиртовая ферментация – процесс получения жидкого топлива в виде этилового спирта (С2Н5ОН), представляющего собой летучее жидкое вещество, имеющее крепость 96%. После очистки спирта посредством специальных "молекулярных сит" получается спирт, имеющий крепость 99,6% - этанол. Из тонны ржи получается 375л спирта, из 1 т проса – 510 литров. Средний современный биозавод по производству этанола может произвести до 150 мил. литров топлива в год. Одно из направлений использования этанола – топливо для автомобилей. Сейчас в мире различными компаниями разработаны 36 моделей автомобилей имеющих совмещенную систему заправки (FFV), в которые можно заливать как этанол, так и бензин или их смесь. По дорогам США уже сейчас ездят более 6000000 автомобилей использующих в качестве топлива смесь Е85 (85% этанола и 15% бензина).
В Европе используется популярная смесь Е10 (10% этанола и 90% бензина). Для работы на такой смеси не требуется вводить в конструкцию двигателя никаких изменений.
В Бразилии на этаноловой смеси работают не только 40% автомобилей, но и летают самолеты местной авиакомпании.
Добавка 10% этанола способствует лучшему сгоранию топлива, увеличивая его октановое число на 3 единицы, уменьшает выброс в атмосферу парниковых газов на 20% и изменяет процентный состав отработавших газов, т. е. увеличивая в отработавших газах содержание СО2 с одновременным уменьшением количества СО.
Стоимость спиртового топлива уже сейчас опустилась ниже 0,5 долл. за литр (при себестоимости 0,15 – 0,20 долл.). Современное мировое производство этанола составляет: 4 млн. м3 – пищевой этанол, 8 млн. м3 – этанол для химической промышленности и 20 млн. м3 – топливный этанол.
Республиканской программой энергосбережения на 2006 - 2010 годы предусмотрено создание инфраструктуры по производству в Республике Беларусь этанола для использования его в качестве топлива.
Анаэробное сбраживание – процесс получения газообразного топлива из биомассы с помощью микроорганизмов. В замкнутых емкостях без доступа кислорода развиваются анаэробные бактерии, которые преобразуют углерод и его соединения в биогаз. За счет их деятельности углерод делится на полностью окисленный диоксид углерода СО2 и полностью восстановленный метан СН4. Получаемая смесь газов называется биогазом.
Биогаз представляет собой смесь 55 – 75% метана и 25 – 45% двуокиси углерода. КПД процесса анаэробного сбраживания составляет 90%. Его теплота сгорания составляет от 21 до 27 МДж/м3. Из 1 тонны свежих отходов крупного рогатого скота (при влажности 85%) можно получить от 45 до 60 м3 биогаза. По своей энергетической ценности 1 м3 биогаза эквивалентен: 0,8 м3 природного газа, 0,7 кг мазута или 1,4 кВт∙ч электроэнергии.
На рисунке 7.6. представлена принципиальная схема процесса производства биогаза в биогазогенераторной установке.
Рисунок 7.6. Принципиальная схема получения биогаза:
1 – приемник органических отходов; 2 – биогазогенератор; 3 – приемник продуктов переработки; 4 – котел-подогреватель биомассы; 5 – газгольдер;
СБ – субстракт; БГ – Биогаз; ВД – горячая вода.
Биогазогенератор работает следующим образом: субстракт (навоз) накапливается в приемном бункере 1 и по мере накопления необходимой массы подается в биогазогенератор 2, где он нагревается до температуры 40 – 50оС и происходит процесс анаэробного сбраживания. Метановое брожение происходит в реакторе в течении 5 ─ 15 суток. Образовавшийся биогаз собирается в водяном газгольдере 5. Для поддержания оптимального температурного режима в биогазогенераторе используется котел-подогреватель 4, работающий на производимом биогазе. Отходы, образовавшиеся в биогазогенераторе, в дальнейшем могут быть использованы в качестве удобрения.
Получение биогаза возможно в установках самых разных масштабов. Оно особенно эффективно на агропромышленных комплексах, где целесообразно добиваться реализации полного экологического цикла. В таких комплексах навоз подвергают анаэробному сбраживанию с последующей аэробной обработкой в открытых бассейнах. Биогаз используют для освещения, приведения в действие механизмов, транспорта, электрогенераторов, для обогрева. В бассейнах можно выращивать водоросли, идущие на корм скоту. После аэробной ферментации полностью обработанные отходы до того как быть использованными в качестве удобрений, могут подаваться в рыбные садки и пруды для разведения водоплаваюшей птицы. Успех реализации подобных схем прямо зависит от качества системной проработки всего проекта, степени стандартизации конструкций, регулярности обслуживания [11].
Схема биогазогенератора представлена на рисунке 7.7.
Получение биогаза из органических отходов имеет следующие особенности:
Рисунок 7.7. Схема биореактора-метантенка ИБГУ-1: 1 — корпус биореактора; 2 — диафрагма; 3 — рукоятка; 4,8 — затвор; 5 — шлюз для выгрузки сброженной массы; 6 — корпус тепловой рубашки; 7 — ТЭН; 9 — загрузочный люк; 10 — газовый штуцер; 11 — гребенка; 12 — вал мешалки; 13 — шнек; 14 — облицовка теплоизоляции; 15 — теплоизоляция; 16 — рукоятка-крестовина мешалки; 17 — крышка биореактора
1) осуществляется санитарная обработка сточных вод (особенно животноводческих и коммунально-бытовых), в которых содержание органических веществ снижается в 10 раз;
2) анаэробная переработка отходов животноводства, растениеводства приводит к минерализации и связывание основных компонентов удобрений (азота и фосфора) и их сохранению (в отличие от традиционных способов приготовления органических удобрений методами компостирования, при которых теряется до 30-40% азота);
3) биогаз с высокой эффективностью может быть использован для получения тепловой и электрической энергии, а также в двигателях внутреннего сгорания;
4) биогазовые установки могут быть размещены в любом регионе страны и не требуют строительства дорогостоящих газопроводов.
Биогазовые технологии позволяют наиболее рационально и эффективно конвертировать химическую энергию органических отходов в энергию газообразного топлива и высокоэффективные органические удобрения, применение которых, в свою очередь, позволит существенно снизить производство минеральных удобрений, на получение которых расходуется до 30% электроэнергии, потребляемой сельским хозяйством.
В последние годы биогазовые технологии были детально оценены в Дании, которая стала первой страной, успешно продемонстрировавшей коммерческие биогазовые заводы по переработке отходов животноводства и других сельскохозяйственных отходов для получения тепловой и электрической энергии. Вклад биогаза в энергетический баланс страны составляет 12%.
Большое количество биогазового топлива производится при переработке твердых бытовых отходов городов: в США — эквивалентно 9,2∙106 ГДж, Германии — 13,8∙106 ГДж, Японии — 5,8∙106 ГДж, Швеции — 5∙106 Гкал. В Китае около 10 млн. «семейных» биореакторов ежегодно производят около 7,3 млрд. м3 биогаза. Кроме этих установок, в Китае работают 600 больших и средних биогазовых станций, которые используют органические отходы животноводства и птицеводства, винных заводов (общий ежегодный объем производства биогаза составляет 220 тыс. м3), 24 тыс. биогазовых очистительных реакторов для обработки отходов городов, а также около 190 биогазовых электростанций с ежегодным производством 3 млн. кВт∙ч. Биогазовая продукция в Китае оценивается в 33∙106 ГДж/год.
Для широкого распространения биогазовой технологии особое значение имеют следующие факторы:
— стоимость установки;
— удельная производительность;
— полнота переработки сброженной массы и биогаза в наиболее ценные продукты по сравнению с исходным сырьем;
— эффективность в решении задач, связанных с охраной окружающей среды;
— высокая эксплуатационная надежность и простота обслуживания.
В Республике Беларусь еще в 1992 году в Брестской области введена в строй первая в РБ биогазовая установка «Кобос». Она, перерабатывая 50 м3 навоза в сутки, производит 500 м3 биогаза. На ее основе создается более крупная биогазовая установка — ежесуточной мощностью до 200 м3 биогаза. В скором времени в РБ будут смонтированы новые биогазовые установки. В частности, в селекционно-гибридном центре "Западный" на Брестчине, на Гомельской птицефабрике и под Минском, на племптицезаводе "Белорусский".
Всего в республике можно получать примерно 2 миллиарда кубометров биогаза.
При комплексной биохимической переработке эти отходы способны обеспечивать те же животноводческие и птицеводческие комплексы, как высококачественными удобрениями, кормодобавками, так и электроэнергией, не говоря уже об экологических преимуществах такой технологии. Уже достигнута договоренность с несколькими немецкими фирмами на поставку аналогичных комплексов в РБ. Одна из моделей такой установки позволяет изготавливать не только 460 тыс. м3 биогаза в год (из 6500т жидкой биомассы), но и получать 910 МВт∙ч тепловой энергии. В зависимости от объема переработки исходного сырья можно получать за год до 630 тыс. м3 биогаза, и свыше 1 миллиона кВт∙ч электроэнергии.
7.2.4. Агрохимические процессы.
Они в основном связаны с получением в процессе жизнедеятельности растений урожая, который в дальнейшем можно использовать для производства жидкого топлива в виде масел и растворителей с минимальной переработкой.
Одним из таких направлений является получение топлива для дизельных двигателей из семян подсолнечника или рапса. Такое топливо называется биодизельным.
Для получения биодизельного топлива смешивают в реакторной колонне 9 частей масла, полученного из семян, с 1 частью метилового спирта, добавив немного щелочи, и смесь подогревают до 60оС. В результате полученная смесь распадается на жидкое топливо, представляющее собой метилэфиры жирных кислот, и на оседающий на дно глицерин, который используется в производстве лекарств и красок.
Лучшим сырьем для биодизельного топлива считается не только подсолнечник, но а рапс. Из 1 тонны семян рапса можно получить 500 литров рапсового масла.
Биодизельное топливо без добавок обозначается В100 и при сжигании его в двигателе оно в 4 раза меньше загрязняет воздух, чем обычное нефтяное топливо. Однако оно обладает повышенной вязкостью и при температурах ниже -10оС загустевает. Да и цена на такое топливо приблизительно на 30% выше цены дизельного топлива.
Наиболее популярной является смесь В30 (30% биодизеля и 70% обычного дизельного топлива). Стоимость этой смеси ниже стоимости нефтяного топлива.
Особенно широко применяется биодизельное топливо в Германии, где его производство достигло почти 3,5 млрд. литров в год. Далее идут Италия – 1,2 млрд. литров, Франция – 1 млрд. литров, США – 600 млн. литров. В России компания "ЛУКОЙЛ" так же построила завод по производству биодизельного топлива.1
Одним из перспективных направлений является производство биодизельного топлива из морских водорослей. Так, например, для обеспечения всех автомобилей в США (а это 220 млн. автомобилей) нужно засадить водорослями всего 4 млн. гектаров прудов. Это примерно 2% от пригодных для сельскохозяйственных целей территорий.
В Республике Беларусь первые эксперименты по использованию биодизельного топлива начались в 2001 году в ОАО "Новоельнянский межрайагроснаб". Это было смесевое топливо, имеющее в основе дизельное топливо с добавлением рапсового масла специальной очистки и коагулятора-разбавителя. В 2006 году была выпущена опытная партия смесевого биодизельного топлива в объеме более 700 тонн. На этом топливе были проведены эксплуатационные испытания дизельных двигателей различных видов техники. Анализ проведенных испытаний дал положительные результаты. В 2007 году начался выпуск биодизельного топлива на основе метилэфирных жирных кислот.
Республиканской программой энергосбережения на 2006 - 2010 годы предусмотрено создание инфраструктуры по производству в Республике Беларусь биодизельного топлива и выращивания для этих целей рапса.
Вопросы для самоконтроля по теме 7
_________________________
1 Равиль Атжанов. Топливо из рапса.//Вокруг света.– 2007. №3.- С.97-103.
Тема 8. Управление энергосбережением в Республике Беларусь.
8.1. Необходимость энергосбережения и его резервы в РБ.
Как уже было отмечено ранее, Республика Беларусь импортирует более 85% энергетических ресурсов, тратя на это до 60% золотовалютных резервов страны. Анализ использования импортируемых ресурсов показывает, что коэффициент полезного использования этих энергоресурсов составляет всего 40%. Как видно, большая часть энергоресурсов расходуется не принося пользы.
В Беларуси ежегодно формируются и реализуются на базе Республиканской программы энергосбережения региональные и отраслевые программы энергосбережения. В результате их выполнения во всех отраслях экономики Республики внедряются энергоэффективные технологии и технологическое оборудование, производится, повсеместный перевод котельного оборудования там, где это возможно, на местные виды топлива и горючие отходы производства и т.д.
Экономия ТЭР за счет снижения энергоемкости ВВП в 2004 году по отношению к 2000 году составила 9,2 млн. т У.Т., в том числе за счет внедрения технических мероприятий сэкономлено более 3,5 млн. т У.Т.
Затраты на экономию 1т У.Т. увеличились со 100 долл. США/т У.Т. в 2001 году до 364 долл. США/т У.Т. в 2004 году.
Однако, несмотря на достигнутые успехи в области энергосбережения, необходимо отметить, что величина энергоемкости ВВП (по паритету покупательской способности) в республике в 1,6 – 2,2 раза выше, чем в странах со схожими климатическими условиями (Канада, Финляндия, Польша).
Энергосбережение — процесс многогранный и охватывает разные сферы человеческой деятельности. По сути, это образ жизни народа, общества, вырабатывающий определенный менталитет. И это — важнейшая на сегодня сфера деятельности, ресурс повышения конкурентоспособности промышленного производства, способ интеграции экономики в международный рынок.
Энергосбережение — это процесс, при котором сокращается потребность в энергоресурсах и энергоносителях в расчете на единицу конечного полезного продукта. Энергосбережение — это не только экономия энергии, но и обеспечение условий для наиболее эффективного ее использования [3].
Чтобы разобраться с потенциалом и перспективами энергосбережения в республике, рассмотрим основные традиционные направления потребления энергетических ресурсов и энергии. Исходя, из сложившейся структуры расходования энергоресурсов, их можно разделить на следующие три направления:
Потребление электроэнергии. Данный вид энергии производит электроэнергетический сектор ТЭК РБ. Предприятия электроэнергетики в полном объеме оснащены приборами учета и контроля расхода электроэнергии, а также приборами автоматического регулирования, поддерживающими работу энергетического оборудования в оптимальном режиме. Уровень обеспечения отрасли квалифицированными кадрами промышленно-производственного персонала так же высок. Исходя из этого, потенциал энергосбережения в этой отрасли составляет величину около 30% от уровня потребления энергоресурсов существовавшего в 1990 г.
Потребление тепловой энергии. Оснащенность этого сектора ТЭК различными видами контрольной и измерительной аппаратуры ниже, чем в электроэнергетике. Уровень квалификации и подготовленности производственного персонала, особенно в эксплуатационных организациях, так же ниже чем, в электроэнергетике. Количество вырабатываемой и потребляемой тепловой энергии в Республике больше чем электрической. В силу всех этих обстоятельств потенциал энергосбережения в этой отрасли составляет 42% от уровня потребления в 1990 г.
Потребление топлива. Энергетические ресурсы являющиеся топливом расходуются в основном во время эксплуатации транспортных средств, при производстве строительных материалов, в химической промышленности, сельском хозяйстве и коммунально-бытовом секторе. Потенциал энергосбережения здесь составляет величину 45% от уровня потребления в 1990г. [3].
Общий потенциал энергосбережения по Республике Беларусь оценивается в период с 2006 по 2010гг. в 30%. За этот период предполагается получить экономию ТЭР в размере 8 – 9 млн. т У.Т.
Современное энергосбережение базируется на следующих трех основных принципах [3]:
1) не столько жесткая экономия различных видов энергии и энергетических ресурсов, сколько их рациональное использование, включая поиск и разработку новых способов энергосбережения;
2) повсеместное использование в электро- и теплосетях, а также у потребителей как бытовых, так и промышленных приборов учета, контроля и автоматического регулирования расхода электрической и тепловой энергии;
3) внедрение новейших технологий производства, технологического оборудования и материалов, способствующих сокращению энергоемкости производства.
Для реализации этих принципов, обеспечивающие эффективное и рациональное использование топливно-энергетических ресурсов, в энергосбережении выделяют следующие виды мероприятий: организационные, научно-технические, экономические, нормативно-технические, информационные и правовые.
Организационные мероприятия по энергосбережению подразделяются на организационно-массовые и организационно-технические.
Организационно-массовые мероприятия проводятся со всеми членами трудового коллектива предприятия. Суть этой работы сводится к разъяснению всем работающим насколько важной и насущной для страны является задача экономного и бережного использования топлива и энергии, снижения и, недопущение их потерь на каждом рабочем месте, организация работы общественных организаций по рациональному и эффективному использованию ТЭР.
Программы организационно-технических мероприятий (ОТМ) разрабатываются на всех уровнях управления предприятиями и группируются по основным направлениям экономии энергетических ресурсов применительно к производству продукции:
Научно-технические мероприятия по энергосбережению направлены на разработку и использование в производстве новых технологий и технологического оборудования, отличающихся высокой энергоэффективностью [3].
Экономические мероприятия по эффективному и рациональному использованию ТЭР включают в себя систему гибких цен на энергоносители, универсальные тарифы, налоговую политику, а также меры материального стимулирования экономного энергопотребления.
Нормативно-технические мероприятия по энергосбережению направлены на разработку и создание новых стандартов, нормативных и руководящих документов содержащих более жесткие требования по обеспечению эффективного и рационального использования топливно-энергетических ресурсов.
Информационные мероприятия по энергосбережению включают в себя проведение информационно-технических семинаров, выставок, конференций, симпозиумов по данной тематике, а также информирование населения через средства массовой информации (печать, телевидение, радио) об основных методах рационального использования энергии, как на производстве, так и в быту [3].
Все вышеотмеченные мероприятия по энергосбережению должны быть подкреплены соответствующей правовой базой.
8.2. Структура управления энергосбережением в РБ.
При реализации задач, связанных с энергосбережением, эффективным и рациональным использованием топливно-энергетических ресурсов, важная роль отводится государственному управлению, позволяющему посредством создания законодательной, нормативной базы, а также широкому использованию финансово-экономических стимулов обеспечивать выполнение всеми секторами экономики плановых показателей по энергосбережению.
Структура управления энергосбережением в Республике Беларусь включает:
─ Департамент по энергоэффективности Государственного комитета по стандартизации и сертификации при Совете Министров Республики Беларусь;
─ областные и Минское городское управления по надзору за рациональным использованием топливно-энергетических ресурсов;
─ координационный межведомственный совет по энергосбережению и эффективному использованию местных топливных ресурсов;
─ экспертный совет при департаменте по энергоэффективности Госстандарта Республики Беларусь;
─ государственные предприятия «Белэнергосбережение» и «Белинвестэнергосбережение»;
─ в облисполкомах, гор- и райисполкомах - штатные единицы ответственных за энергосбережение, а в министерствах и ведомствах - отделы или ответственные за энергосбережение.
Государственным органом, в сфере управления энергосбережением является Правительство Республики Беларусь.
Республиканским органом государственного управления энергосбережением является Департамент по энергоэффективности Госстандарта Республики Беларусь. На Департамент по энергоэффективности возложено решение следующих основных задач:
В соответствии с этими задачами Департамент по энергоэффективности Госстандарта организует разработку и реализацию мер по энергосбережению, участвует в реализации инвестиционной политики, исходя из приоритетных направлений развития экономики Республики Беларусь. Он разрабатывает критерии оценки эффективности использования ТЭР на территориальном и отраслевом уровне и в установленном порядке вносит предложения [4]:
-по внедрению экономических механизмов стимулирования эффективного использования научно-технического и производственного потенциала для реализации государственной политики в области энергосбережения;
-по определению основных показателей энергосбережения на основе важнейших параметров прогноза социально-экономического развития республики;
-по повышению энергоэффективности отраслей экономики республики.
Главному государственному инспектору Республики Беларусь в лице директора Департамента по энергоэффективности, его заместителям, главным государственным инспекторам областей и г. Минска, их заместителям, государственным инспекторам по надзору за рациональным использованием ТЭР предоставлено право[4]:
-беспрепятственно посещать (при предъявлении документов) проверяемые объекты;
-привлекать специалистов и технические средства предприятий (по согласованию с руководителями предприятий) для выполнения своих служебных обязанностей;
-давать обязательные для всех потребителей предписания по устранению фактов нерационального расходования топлива, электрической и тепловой энергии, по установке отсутствия необходимых приборов учёта и регулирования;
-составлять протоколы о фактах нерационального использования ТЭР и принимать решения о применении к потребителям ТЭР экономических санкций в соответствии с законодательством.
В принятой Советом Министров Республики Беларусь «Республиканской программе по энергосбережению на период 2006-2010гг.» определены следующие цели и задачи:
1) снижение энергоемкости валового внутреннего продукта;
2) замещение импортируемых топливно-энергетических ресурсов местными видами топлив;
3) создание необходимых условий для повышения уровня энергетической безопасности республики;
4) снижение негативного воздействия на окружающую среду путем уменьшения выбросов парниковых газов, образующихся в результате сжигания топлива в энергетических целях.
Для реализации поставленных целей и задач предусмотрены следующие основные мероприятия:
8.3. Направления совершенствования системы управления энергосбережением.
В соответствии с Республиканской программой по энергосбережению на период 2001 – 2005 годы в Республике Беларусь реализована следующая система управления энергосбережением [6]:
1. Создана единая по вертикали системы управления энергосбережением включающая в себя следующие иерархические уровни:
─ государственный уровень – его задачами является создание нормативно-правовых документов прямого действия и соответствующих институциональных и финансово-экономических систем управления;
─ региональный уровень - создание целевых программ энергосбережения формирование источников финансирования и создание местной нормативно-правовой базы;
─ муниципальный уровень - продуманные действия муниципального руководства по организации рационального потребления ТЭР всей инфраструктурой городского (районного) хозяйства;
─ уровень хозяйствующих субъектов - выполнение мероприятий с учётом общеэкономической заинтересованности.
2. Разработана система регулирования цен на топливо и энергию как инструмент стратегии государства в области энергосбережения.
3. Пересматриваются стандарты, нормы и правила для обеспечения их соответствия с требованиями по снижению энергоёмкости продукции, работ и услуг, а также контролируется неукоснительное их соблюдение.
4. Осуществляется переход от дотационного принципа финансирования энергосбережения к установлению налоговых льгот, стимулирующих инвестиционную активность использования энергосберегающего оборудования (снижение налогов на прибыль, дифференциация налоговых ставок, ускоренная амортизация).
5. Реализуются действенные меры по структурной перестройке отраслей экономики и промышленности, предусматривающей снижение в ней доли энергоёмких производств и обеспечении условий для опережающего развития малоэнергоёмких и наукоемких производств.
6. Разработаны национальные программы увеличения в топливном балансе республики на современной научно-технической базе местных видов топлива, отходов производства, а также использование нетрадиционных и возобновляемых источников энергии.
Для реализации государственной политики в области энергосбережения и повышения эффективности работы системы управления энергосбережением следует предусмотреть методы управления энергосбережением.
Методы управления (регулирования) энергосбережением – это способы воздействия на поведение и деятельность управляемых субъектов хозяйствования с целью снижения потребления ими ТЭР при сохранении или увеличении объемов производства.
Выделяют следующие основные методы управления [5]:
8.4. Финансово-экономический механизм управления энергосбережением
Основными инструментами финансово-экономического механизма управления энергосбережением в Беларуси, призванного создать систему экономической заинтересованности в реализации мероприятий по энергосбережению, являются [5]:
Источниками финансирования мероприятий по энергосбережению являются:
На протяжении 2001-2004 годов финансирование мероприятий по энергосбережению составило 749,6 млн. долл. США. Основные источники финансирования составили: собственные средства предприятий – 41,6%, средства инновационного фонда Минэнерго, направляемые на цели энергосбережения – 17,8%, отраслевые инновационные фонды – 25,5%, средства республиканского и местных бюджетов – 11,2%, кредиты, займы и другие привлеченные средства банков – 3,9%.
Объемы финансирования энергосберегающих мероприятий за счет средств инновационных фондов ежегодно определялся постановлением Правительства о реализации бюджета Республики Беларусь на соответствующий год, и составили 43,3% от общего объема финансирования.
Часть средств местных бюджетов использовалась на финансирование установки приборов группового учета топливно-энергетических ресурсов, замену неэкономичных котлов, тепловую реабилитацию зданий и составила 11,2%.
Республиканская программа энергосбережения на 2006 – 2010гг. предусматривает использование в качестве основных источников финансирования энергоэффективных проектов собственные средства предприятий. Государственная поддержка в качестве долевого участия из средств республиканского и местных бюджетов, инновационных фондов республиканских органов госуправления, иных государственных организаций будет оказываться организациям социальной и бюджетной сферы и предприятиям, внедряющим эффективные мероприятия по приоритетным направлениям энергосбережения.
Средства республиканского бюджета, направляемые на цели энергосбережения, выделяются в установленном порядке:
Распределение объемов финансирования по конкретным мероприятиям указываются в отраслевых и региональных программах энергосбережения на 2006-2010 гг. Объемы финансирования ежегодно уточняются при разработке и согласовании региональных и отраслевых программ энергосбережения.
В табл. 8.1. приведены данные по объемам и источникам финансирования энергосберегающих мероприятий за период 1996-2000 годы, 2001-2005 годы и в перспективе на 2006 – 2010 годы.
Таблица 8.1 Объем инвестиций в энергосбережение
|
Источники финансирования |
1996-2000гг. |
2001-2005 гг. |
2005-2010гг. |
|||
|
млн. США |
% |
млн. США |
% |
млн. США |
% |
|
|
1.Собственные средства предприятий (включая льготные кредиты, амортизационные отчисления, прибыль) |
164,2 |
44,3 |
433,3 |
54,5 |
2865,1 |
61,5 |
|
2. Средства инновационных фондов |
168,0 |
45,3 |
274,3 |
34,5 |
926,1 |
19,9 |
|
3.Средства республиканских и местных бюджетов |
37,3 |
10,1 |
35,8 |
4,5 |
508,2 |
10,9 |
|
4.Кредиты, займы и привле-ченные акционерные средства |
1,0 |
0,3 |
51,6 |
6,5 |
359,3 |
7,7 |
|
И Т О Г О: |
370,5 |
100 |
795 |
100 |
4658,7 |
100 |
Очевидно, в период 2005–2010 годы должна возрасти роль государственной амортизационной политики в осуществлении инвестиционного развития предприятий и ускоренном обновлении их устаревшего производственного оборудования и замены его энергосберегающим.
Приоритетными направлениями инвестирования проектов по увеличению использования местных ТЭР в прогнозируемом периоде являются:
В настоящее время субъектам хозяйствования, независимо от формы собственности, разрешено включать в себестоимость продукции в течение года после внедрения энерго- и ресурсосберегающих мероприятий стоимость сэкономленных топливно-энергетических ресурсов, материальных и сырьевых ресурсов и аккумулировать данные средства в создаваемых ими фондах «Энерго- и ресурсосбережение». Средства таких фондов можно использовать на финансирование научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР), работ по внедрению энерго- и ресурсосберегающих мероприятий и технологий, на возврат банкам полученных на цели энерго- и ресурсосбережения кредитов и уплату процентов за пользование ими. Кроме того, до 50 % средств указанного фонда можно использовать на премирование [5].
Ежегодно предприятия платят экологический налог, который включает в себя и плату за выбросы загрязняющих веществ в окружающую среду. Сжигании органического топлива приводит к выбрасыванию в окружающую среду большого количества вредных веществ. Это существенно сказывается на величине платы, предприятия за загрязнение воздушного бассейна. С целью сокращения данной статьи затрат предприятиям необходимо сокращать объемы выбросов загрязняющих веществ, а это, в свою очередь, напрямую влияет на сокращение объемов сжигаемого топлива.
Вопросы для самоконтроля по теме 8
Тема 9. Вторичные энергетические ресурсы.
9.1. Вторичных энергетических ресурсов и основные показатели их использования.
Согласно Закону Республики Беларусь "Об энергосбережении", вторичные энергетические ресурсы — это энергия, получаемая в ходе любого технологического процесса в результате недоиспользования первичной энергии или в виде побочного продукта основного производства и не применяемая в этом технологическом процессе.
В Республиканской программе по энергосбережению на 2006 – 2010 годы одним из приоритетных направлений энергосбережения является экономически целесообразная утилизация высоко- и среднетемпературных тепловых ВЭР с использованием их в схемах теплоснабжения.
Актуальность темы использования ВЭР для нашей страны объясняется тем, что коэффициент полезного использования энергоресурсов (КПИ) очень низок и составляет всего около 42%. Это говорит о наличии большого потенциала энергосбережения. Резервы повышения КПИ на современном уровне развития науки и техники, достаточно велики. Так, например, известно, что на тепловых электростанциях расходуется примерно четвертая часть всего добываемого топлива, а средний коэффициент его использования составляет около 35%, т.е. почти 2/3 энергии сжигаемого топлива уносится с дымовыми газами и теплыми сбросными водами [13].
Подобные процессы наблюдаются в металлургии, химической промышленности, при производстве строительных материалов и т.п.
Схема использования энергетических ресурсов представлена на рисунке 9.1.
Рисунок. 9.1. Принципиальная схема использования энергоресурсов при утилизации ВЭР
Как видно из рисунка 9.1 первичная энергия, поступающая на вход в технологическую установку используется не полностью. Основная часть энергии на выходе из технологической установки преобразуется в полезную работу для выпуска готовой продукции, а оставшаяся часть энергии на выходе, которая не используется как полезная, представляет собой энергетические отходы.
Энергетические отходы — это энергетические потоки на выходе из технологической установки, включая и все потери энергии в ней, за исключением полезной энергии.
Энергетические отходы можно представить в виде трех потоков:
1) энергетические отходы внутреннего использования, представляющие собой потоки энергии, которые возвращаются с выхода технологической установки на ее вход за счет регенерации и рециркуляции;
2) неизбежные потери энергии в технологической установке из-за несовершенства процессов протекающих в ней;
3) энергетические отходы внешнего использования, которые собственно и представляют собой вторичные энергетические ресурсы.
Для характеристики ВЭР используется ряд терминов и понятий, приведенных Харитоновым В.В. в его работе [13].
Выход ВЭР — масса вторичных энергоресурсов, которые образовались в данной установке за определенный период времени и пригодны к использованию в этот же период.
Использование ВЭР — это масса вторичных энергоресурсов какого-либо агрегата, употребленных в других установках или агрегатах. ВЭР могут быть утилизированы без изменения вида энергоносителя или путем преобразования их в другие виды энергии с помощью утилизационной установки.
Выработка за счет ВЭР — количество теплоты, холода или механической работы, полученной в процессе работы утилизационной установки.
Различают четыре вида выработки:
9.2. Классификация ВЭР. Примеры использования ВЭР.
Вторичные энергетические ресурсы классифицируют в зависимости от вида энергии, которая сосредоточена в том или другом виде вторичного ресурса.
Различают ВЭР: горючие, тепловые и избыточного давления [13].
Горючие ВЭР (в них сосредоточена химическая энергия) — это горючие газы и отходы одного производства, которые могут быть применены непосредственно в виде топлива в других производствах. Примерами таких ВЭР могут служить, например, опилки, стружка и отходы древесины, получаемые в деревообрабатывающая промышленность; твердые и жидкие промышленные отходы в химической и нефтегазоперерабатывающей промышленности, доменный и коксовый газ, получаемый на выходе из доменных печей и коксовых батарей и т. д.
Тепловые ВЭР (тепловая энергия) — это физическая теплота уходящих газов, основной и побочной продукции производства; теплота золы и шлаков; теплота горячей воды и пара, отработавших в технологических установках; тепловая энергия теплоносителей, используемых в системах охлаждения технологических установок.
Тепловые ВЭР могут использоваться как непосредственно в виде теплоты, так и для раздельной или комбинированной выработки теплоты, холода, электроэнергии в утилизационных установках.
ВЭР избыточного давления (потенциальная энергия рабочего тела, имеющего давления выше атмосферного) — это потенциальная энергия покидающих установку газов, воды, пара, имеющих повышенное давление, которая может быть еще использована перед выбросом в атмосферу. Основное направление использования таких ВЭР — получение электрической или механической энергии.
Основным способом утилизации теплоты уходящих газов котельных агрегатов, ТЭЦ, промышленных печей помимо использования ее для собственных нужд в различных технологических процессах является:
Котлы-утилизаторы, применяемые в металлургической, химической и других отраслях промышленности, вырабатывают пар как низкого (менее 1,5 МПа), так и среднего (около 4 МПа) давления для получения электроэнергии.
Нагрев воды в пределах 130—150°С и воздуха до 250°С может осуществляться уходящими газами в обычных поверхностных теплообменных аппаратах.
На машиностроительных предприятиях тепловые ВЭР сравнительно высоких параметров образуются в основном в мартеновских, нагревательных и термических печах в виде теплоты уходящих газов и теплоты рабочих тел систем охлаждения установок, печей, продукции. Кроме того, низкопотенциальная теплота содержится в отработанном паре, образующемся в процессе работы паровых прессов и молотов.
В промышленности строительных материалов тепловые ВЭР образуются при обжиге цементного клинкера и керамических изделий, производстве стекла, кирпича, извести, огнеупоров. К ним относятся физическая теплота уходящих газов различных печей (туннельных, шахтных, вращающихся) и т.д.
Теплота отработанного в автоклавах пара на Минском и Оршанском комбинатах силикатных изделий применяется для отопления жилых и административных зданий, а также и для технологических нужд. Отопление собственных цехов отработанным паром паровых молотов кузнечного производства производится на Минском заводе шестерен. Это позволяет экономить за отопительный сезон более 600 тыс. ГДж тепловой энергии.
Представляют определенный интерес процессы использования теплоты конденсата пара, нагретой производственной и бытовой сливной воды, вентиляционных выбросов нагретого воздуха.
На рисунке 9.2 представлены схемы получения пара вторичного вскипания. Нагретая вода из системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания (ДВС) подается в котел-утилизатор (КУ), где происходит ее дополнительный нагрев за счет теплоты выхлопных газов ДВС. После котла-утилизатора горячая вода направляется в сепаратор, где при понижении давления получается пар вторичного вскипания, используемый для технологических целей, а оставшаяся горячая вода используется для нагрева холодной воды в теплообменнике, используемой для горячего водоснабжения. Охлажденная вода в дальнейшем возвращается обратно в систему охлаждения ДВС. Недостача охлаждающей воды пополняется из системы подпитки [13].
Вторичный пар
Рисунок 9.2. Схема получения пара вторичного вскипания из воды системы высокотемпературного охлаждения двигателя внутреннего сгорания:
1 — двигатель, 2 — сепаратор; 3 — поверхностный теплообменник;
4 — циркуляционный насос, КУ — котел-утилизатор
Один из вариантов использования теплоты отработанного пара для теплофикации приведена на рисунке 9.3.
Пластинчатые теплообменники приобретают все большую популярность в целом ряде отраслей промышленности. Работа теплообменника этого типа показана на рисунке 9.4. Для повышения коэффициента теплопередачи потоки жидкости разделяются тонкой гофрированной металлической мембраной. Набор таких гофрированных пластин с установленными между ними герметизирующими прокладками образуют изолированные каналы, по которым, циркулируют потоки горячей и холодной жидкости, не перемешиваясь между собой.
Рисунок 9.3. Схема использования теплоты отработанного пара с пластинчатым теплообменником:
1 – тепловой аккумулятор; 2 – пластинчатый теплообменник; 3 – питательный насос.
Заметная экономия может быть получена и за счет утилизации теплоты вентиляционных выбросов предприятий при использовании воздухо-воздушных теплообменников или другого серийного оборудования для подогрева приточного воздуха.
Рисунок 9.4. Работа пластинчатого теплообменника:
а — тип 1; б — тип 2; в —тип 3
Простой воздушный теплообменник, схематически показанный на рисунке 9.5, представляет собой стационарное устройство для теплообмена между отработанным и поступающим потоками воздуха, проходящими через него противотоком. Этот теплообменник напоминает стальную прямоугольную коробку с открытыми концами, разделенную на множество узких каналов типа камер. По чередующимся каналам перемещаются отработанный и свежий воздух, и теплота передаётся от одного потока воздуха к другому просто через стенки каналов. Перенос загрязнений в теплообменнике не происходит, и поскольку значительная площадь поверхности заключена в компактном пространстве, достигается относительно высокая эффективность.
Рисунок 9.5. Схематическое изображение стационарного воздушного теплообменника
На рисунке 9.6. показан общий вид и схема движения воздушных потоков в пластинчатом теплоутилизаторе типа ТПГ.
Рисунок 9.6. Общий вид теплоутилизатора ТПГ
На рисунке 9.7 представлена схема приточно-вытяжной установки с регенеративным теплоутилизатором. Она состоит из вращающегося регенератор, устанавливаемого на крыше здания промышленного предприятия, и применяемый для утилизации теплоты выбрасываемой при удалении воздуха из верхней зоны цехов.
Регенеративный теплоутилизатор 9, представляет собой барабан, образованный лентами из гофрированной и гладкой алюминиевой фольги, плотно навитыми на сердечник. Барабан приводится во вращение, с частотой 10 об/мин, от привода, состоящего из клиноременной передачи 12, червячного редуктора 13 и электродвигателя 14. Воздух из помещения удаляется вытяжным вентилятором 8, а подается – приточным 6. Очистка воздуха осуществляется с помощью фильтров 4 [15].
Все приведенные системы утилизации отличаются высокой экономической эффективностью.
Рисунок 9.7. Крышная приточно-вытяжная установке с регенеративным теплоутилизатором
Рассмотрим пример использования ВЭР избыточного давления с использованием турбодетандерных установок на газораспределительных станциях (ГРС) и газорегуляторных пунктах (ГРП) системы централизованной поставки природного газа. По магистральным трубопроводам газ транспортируется за счет высокого давления, поддерживаемого в трубопроводе газокомпрессорными станциями, и его величину составляет 5 – 7 МПа. На ГРС давление снижается примерно в 5 раз, а далее для конечных потребителей давление газа еще раз снижается на ГРП до величины, соответствующей технологическим нормативам. На обоих этапах редуцирования снижение давления происходит без совершения полезной работы, т.е. происходят безвозвратные потери энергии.
Для утилизации энергии редуцируемого давления газа и используются турбодетандерные (газотурбинные расширительные) установки. Уже введены в действие такие установки на ГРП Лукомльской ГРЭС мощностью 7,5 МВт и Минской ТЭЦ 4 мощностью 5МВт. Планируется внедрение турбодетандерных установок на ГРС "Белтрансгаза". Реализация этих мероприятий позволит экономить до 80 – 100 тыс. т У.Т.1
Большие возможности для утилизации теплоты появляются при включении в энергетическую систему ТЭЦ и котельных, тепловых насосов, позволяющих отбирать тепловые ВЭР и возвращать их в систему теплоснабжения.
_________________________
1 Семашко В. Энергетическая безопасность – основа процветания страны//Экономика Беларуси. – 2005. №3.- С.7-14.
9.3. Трансформаторы тепла.
Трансформаторами тепла называют устройства, служащие для переноса тепловой энергии от тела с низкой температурой Тн к телу с более высокой температурой Тв.
Чтобы осуществить такое преобразование теплоты, необходимо затратить внешнюю энергию (механическую, электрическую и т.п.).
К трансформаторам теплоты относят холодильные машины, кондиционеры и тепловые насосы.
Трансформаторы тепла, используемые в качестве тепловых насосов, позволяют повышать потенциал тепловой энергии низкотемпературных ВЭР или окружающей среды (атмосферного воздуха, грунта или водоемов).
Наибольшее распространение получили компрессионные трансформаторы тепла, работающие по обратному циклу тепловой машины, в которых механическая работа преобразуется в теплоту. Основными элементами трансформатора тепла являются (см. рисунок 9.8) теплоприемник, имеющий температуру Тн, механическое устройство, преобразующее механическую работу в теплоту, и теплоотдатчик с температурой Тв.
Теплоприемник связан с источником теплоты, а теплоотдатчик – с потребителем.
К рабочему телу, циркулирующему внутри трансформатора тепла, от теплоприемника подводится теплота Q1. Затем к нему в механическом устройстве дополнительно подводится теплота за счет преобразования механической работы L.
Суммарное количество теплоты Q2 = Q1 + L поступает в теплоотдатчик, которая в дальнейшем и передается потребителю.
Эффективность работы трансформатора тепла оценивается коэффициентом преобразования φ, который является основной характеристикой теплового насоса φ = Q2 / L .
Коэффициент преобразования показывает во сколько раз теплота Q2 полученная потребителем от теплоотдатчика больше по сравнению с затраченной работой L.
Источниками низкопотенциальной теплоты, необходимой для работы теплонасосных установок, служат естественная среда (воздух, вода, грунт) или промышленные отходы теплоты. Однако необходимо отметить, что тепловые насосы, являющиеся средством теплоснабжения, в Республике Беларусь еще пока не получили широкого распространения.
Основным условием, дающим большие преимущества и открывающим дорогу для повсеместного использования тепловых насосов, является сравнительно небольшой перепад температур между теплоприемником и теплоотдатчиком. Поэтому при использовании промышленных отходов, имеющих температуру выше, чем температура окружающей среды, тепловые насосы при прочих равных условиях расходуют меньшее количество энергии, чем при использовании теплоты окружающей среды.
Рассмотрим принципиальную схему теплового насоса компрессионного типа (рисунок 9.9) и принцип его работы. Основными элементами теплового насоса являются испаритель (теплоприемник), конденсатор (теплоотдатчик) и компрессор, который преобразует механическую работу в теплоту. Рабочее тело, вещество с низкой температурой кипения, циркулирует в контуре за счет работы компрессора.
Рисунок 9.9 Принципиальная схема компрессионного теплового насоса:
1 – двигатель привода компрессора; 2 – дроссель; Р1 – давление рабочего тела в испарителе;
Р2 – давление рабочего тела в конденсаторе после компрессора; ж, г – агрегатное состояние рабочего тела соответственно жидкое или газообразное.
Тепловой насос работает следующим образом. В теплообменнике-испарителе отбирается теплота низкого потенциала Q1 от источника и передается рабочему телу (фреону). В результате подведенной тепловой энергии фреон испаряется и переходит из жидкого состояния в газообразное. Образующиеся в испарителе пары фреона поступают в компрессор. Компрессор приводится в действие электродвигателем и электрическая энергия, затрачивая на привод компрессора, преобразуется в тепловую в процессе сжатия фреона. Вследствие этого повышается давление до величины Р2 и температура рабочего тела, и соответственно тепловая энергия, подводимая к конденсатору.
Затем теплота сжатых паров Q2 в конденсаторе передается потребителю тепла, в результате чего температура паров фреона снижается и он переходит из газообразного состояния в жидкое. Далее конденсат попадает на вход в дроссельное устройство после прохождения которого давление снижается до первоначального Р1 и жидкая фаза вновь поступает в испаритель.
Тепловые насосы выпускаются и применяются практически во всех развитых странах мира (объем выпуска около 2 млн. в год). Наиболее экономичные и технически совершенные тепловые насосы различных типов выпускаются заводами фирм США, Швеции, Германии, Японии. В последние годы освоено производство целевых парокомпрессионных тепловых насосов теплопроизводительностью 0,5 - 9 МВт в Российской Федерации.
В Республике Беларусь вопросы применения тепловых насосов начали рассматриваться еще в 1975 году, а активизировались только с 1991 года в рамках республиканской научно-технической программы «Энергосбережение» и по отраслевым программам экономии топливно-энергетических ресурсов. Научно-методическими основами применения тепловых насосов занимаются БелНИПИэнергопромом, Белорусским национальным техническим университетом и др., ими разработаны основные положения по применению тепловых насосов на промышленных предприятиях, в жилищно-коммунальном хозяйстве городов и для теплоснабжения объектов рекреации.
Тепловые насосы можно использовать в качестве индивидуальных систем обогрева жилых домов, отдельно стоящих зданий и сооружений, насосных (канализационных, водоснабжения) и т.п. Остановимся на некоторых вариантах использования тепловых насосов [17].
Так, для теплоснабжения отдельно стоящих различных насосных станций в настоящее время, как правило, используют преобразование электрической энергии в тепловую с помощью калориферов или различных теплоэлектронагревателей (ТЭНов).
Для экономии электроэнергии предлагается применять тепловые насосы типа "вода — воздух". В насосных станциях источником низкопотенциалъной теплоты может служить перекачиваемая жидкость, а нагреваемым теплоносителем — воздух станции. В этом случае тепловой насос должен находиться непосредственно в насосной станции.
Предлагаемая принципиальная схема отопления насосной станции с помощью теплового насоса типа "вода — воздух" приведена на рисунке 9.10.
Часть перекачиваемой технологическими насосами 1 воды подается на испаритель 2, где она охлаждается, передавая свою тепловую энергию тепловому насосу, а охлажденная вода возвращается обратно в сеть. Увеличенная, за счет работы компрессора, тепловая энергия, поступившая в конденсатор 4, передается воздуху, находящемуся внутри насосной станции. Расход электроэнергии на прокачивание воды через испаритель незначителен. Для получения тепловой мощности 10 кВт насосу достаточно перекачать через испаритель примерно 2,5 м3/ч воды, что составляет менее 1 % объема прокачиваемой воды. По такой схеме производится отопление водонасосной станции «Вицковщина» УП «Минскводоканал» [17].
Возможная схема теплонасосного отопления помещения с использованием вентиляционного воздуха показана на рисунке 9.11 [13].
Рисунок 9.10. Принципиальная схема отопления насосной станции с помощью теплового
насоса типа "вода — воздух":
1 — технологические насосы; 2 — испаритель;3 — комnpeccop; 4 — воздушный конденсатор со встроенным вентилятором; 5 — дроссель; В – вода; X — хладагент.
Практическое внедрение эффективных тепловых насосов в РБ началось в последние годы с установки тепловых насосов для отопления станций второй линии Минского метрополитена «Тракторный завод» и «Партизанская». В этом случае была использована теплота удаляемого воздуха, используемого для охлаждения трансформаторов тяговой подстанции (схема приведена на рисунке 9.11).
Воздух из атмосферы
Рисунок 9.11 Схема теплонасосного отопления помещений с использованием теплоты вентиляционного воздуха: И — испаритель; К — конденсатор; КМ — компрессор; ДР — дроссель; ОП — отапливаемые помещения; Д1, Д2 и ДЗ — электро-и тепловые двигатели; В1 и В2 — воздушные вентиляторы
По аналогичной схеме применяются тепловые насосы для горячего водоснабжения Борисовского завода пластмассовых изделий, Слуцкого сыродельного комбината (на основе использования теплоты оборотной воды) и в технологическом процессе на УП ММЗ им. С.И. Вавилова (на основе использования теплоты сточных вод).
Вопросы для самоконтроля по теме 9.
10. ЭКОНОМИКА ЭНЕРГЕТИКИ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ
10.1. Определение себестоимости выработки энергии.
Производство электрической и тепловой энергии, как и производство любой другой продукции, связано с издержками производства или эксплуатационными расходами, которые и представляют собой себестоимость производства продукции.
Себестоимость продукции энергетического предприятия – это выраженные в денежной форме затраты, прямо или косвенно связанные с производством и реализацией электрической и тепловой энергии.
Продукция энергетического предприятия, в физическом восприятии, существенно отличается от продукции других предприятий, поскольку она не является вещественным продуктом и ее невозможно складировать. Электрическая и тепловая энергия существует только тогда, когда есть производитель, потребитель энергии и предприятие, обеспечивающее передачу энергии от производителя к потребителю. В связи с этим формирование себестоимости в энергетике имеет ряд особенностей, приведенных ниже.
1. Важной экономической особенностью исчисления себестоимости в энергетике является ее определение относительно потребителя, т.е. ее исчисляет франко-потребитель. Полная себестоимость энергии в энергосистеме представляет совокупность затрат на производство энергии на электростанциях, а также передачу и распределение энергии.
2. На энергетических предприятиях большое влияние на затраты оказывает режим работы предприятий, производителей энергии. В связи с этим, для энергетических предприятий наиболее характерным является деление затрат на условно-переменные и условно-постоянные. К условно-переменным затратам относятся затраты, которые в основном зависят от объема производства продукции (топливо, вода и т.п.); условно-постоянные затраты от размера выпуска продукции практически не зависят (заработная плата, амортизационные отчисления и др.).
3. Отсутствие на энергопредприятиях незавершенного производства позволяет относить все затраты за определенный период времени на себестоимость того количества энергии, которое было произведено и распределено за рассматриваемый период.
4. На величину себестоимости оказывают влияние также расходы по поддержанию в работоспособном состоянии части оборудования и наличие запаса топлива на энергетических объектах, представляющего собой резерв мощности, который призван обеспечить энергетическую безопасность страны.
5. Полная себестоимость энергии в различных энергообъединениях и электростанциях неодинакова. Это объясняется тем, что себестоимость электроэнергии зависит от структуры генерирующих мощностей, объема и режима потребления электроэнергии, структуры топливного баланса и т.д.
В энергетике применяют поэлементную классификацию себестоимости, т.е. классификацию по экономическим элементам, что позволяет осуществить увязку расходов материалов, топлива, трудовых ресурсов и т.п. Это облегчает технико-экономические расчеты, связанные с перспективными оценками затрат. Процентное соотношение экономических элементов в общей сумме издержек представляет их структуру.
В различных типах энергетических объектов структура затрат на выработку электрической и тепловой энергии неодинакова. Например, для тепловых электростанций (ТЭС) наибольший удельный вес имеют затраты на топливо, а для гидроэлектростанций – затраты на амортизацию.
Оценивая в целом энергетическое производство, можно отметить, что важнейшими элементами затрат являются затраты на топливо Sт, на амортизацию Sам, заработную плату Sзп и прочие расходы Sпр. В связи с этим укрупненно суммарные эксплуатационные расходы (р./год) можно выразить следующим образом:
SΣ = Sт + Sам + Sзп + Sпр.
На ТЭС затраты на топливо по своему удельному весу являются основными и они составляют до 60 – 70% от суммы всех затрат. Цена на топливо зависит от его вида, дальности перевозки и качества.
На ГЭС наибольший удельный вес имеют затраты на амортизацию и их доля составляет от 70 до 90%. Электроэнергия, вырабатываемая на ГЭС, имеет себестоимость производства в 5 – 10 раз ниже, чем на ТЭС, и чем большая установленная мощность энергетического оборудования, тем больше эта разность.
На АЭС структура затрат существенно отличается от ТЭС. В первую очередь это относится к соотношению топливной составляющей и амортизации. Величина амортизации для АЭС является преобладающей, и ее удельный вес в суммарных издержках производства доходит до 70%. Удельный вес топлива на них колеблется в зависимости от типа реактора и составляет от 15 до 20% [20].
Удельные капиталовложения на АЭС выше, чем на КЭС, причем в их структуре значительную часть до 60% занимают изготовление, доставка и монтаж ядерного реактора. Себестоимость вырабатываемой электроэнергии на АЭС зависит от числа часов работы установленного энергетического оборудования, и поэтому она будет значительно снижаться при увеличении этого показателя. В настоящее время на современных АЭС себестоимость производимой электроэнергии ниже уровня себестоимости на ТЭС.
Проводя сравнительные технико-экономические расчеты на стадии проектных работ нецелесообразно определять затраты по всем экономическим элементам, а достаточно свести их к составляющим имеющим наибольший удельный вес, т.е. затратам на топливо, амортизацию и заработную плату. В этом случае суммарные эксплуатационные расходы будут равны SΣ = Sт + Sам + Sзп, а погрешность расчетов в этом случае не превышает 10%.
Комбинированный характер производства электрической и тепловой энергии на ТЭЦ обуславливает необходимость распределения эксплуатационных затрат на затраты по производству электрической и затраты на производство тепловой энергии. Это усложняет процесс определения себестоимости каждого вида энергии. В настоящее время существует несколько методов решения этой задачи. Одним из наиболее простых и наглядных является метод "отключений". Смысл его в том, что из суммарных затрат комбинированного производства исключаются затраты на побочные продукты, которые оцениваются по себестоимости их раздельного производства или по ценам. В энергетике этот метод нашел отражение при построении треугольника профессора Гинтера (рисунок 10.1) [20]. На одной стороне треугольника откладывается себестоимость 1 кВт∙ч электрической энергии Sээ, а на другой — 1 ГДж тепловой энергии Sтэ. Максимальная величина себестоимости электрической энергии будет тогда, когда отпуск тепловой энергии не производится и, соответственно, все затраты на ТЭЦ относятся на электроэнергию (точка В). В противоположном случае, максимальная себестоимость тепловой энергии будет тогда, когда выработка электрической энергии не производится и все затраты относятся на выработку тепловой энергии (точка А). В соответствии с годовыми затратами по этим точкам и строится прямоугольный треугольник. В дальнейшем, задаваясь себестоимостью выработки одного вида энергии, например, S'ээ, можно легко определить себестоимость выработки другого вида энергии – S'тэ.
Рисунок 10.1 Определение себестоимости электрической и тепловой энергии по методу Гинтера
10.2. Тарифы на электрическую и тепловую энергии.
Энергосистемы реализуют свою продукцию – электрическую и тепловую энергию по тарифам, которые представляют собой разновидность цен. Тарифы – это дифференцированная цена. При формировании цены на энергию используется затратный метод. Основными элементами тарифов на энергию являются полная себестоимость производства энергии, нормативная прибыль, а также расходы по уплате налогов. В состав цены включают также отчисления в различные целевые фонды (на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, на энергосбережение, на функционирование энергетических комиссий и т. д.) [3].
При установлении цены на энергию учитываются особенности энергетического производства, т.е. тарифы дифференцируются по энергообъединениям и областям, кроме того, происходит дифференциация по группам потребителей. Тарифы должны экономически побуждать потребителей энергии к уплотнению графиков нагрузки энергосистемы и тем самым улучшать режимы работы энергогенерирующего оборудования и способствовать снижению себестоимости энергии.
В соответствии с Законами Республики Беларусь "О естественных монополиях", "О ценообразовании" и Указом Президента Республики Беларусь "О некоторых мерах по стабилизации цен (тарифов) в Республике Беларусь" в республике осуществляется государственное регулирование тарифов на электрическую и тепловую энергию, отпускаемую от источников ГПО "Белэнерго": Министерством экономики Республики Беларусь - для потребителей реального сектора экономики, Советом Министров Республики Беларусь - для населения.
Действующая организационная и методологическая система формирования тарифов на электрическую и тепловую энергию от источников ГПО "Белэнерго" соответствует существующей вертикально-интегрированной структуре управления электроэнергетической отраслью, когда субъектом хозяйствования осуществляется полный технологический цикл от производства энергии до ее сбыта потребителю. При такой организационной структуре управления электроэнергетической отраслью тарифы формируются и декларируются для конечных потребителей на полезноотпущенную энергию и включают затраты на производство, передачу, распределение и сбыт энергии.
Электрическая энергия в соответствии с постановлением Совета Министров Республики Беларусь от 25 ноября 1992 г. № 709 "О единых тарифах на электрическую энергию" отпускается в республике по государственно регулируемым единым по республике тарифам, дифференцированным по группам потребителей и используются два вида тарифов – одноставочный и двухставочный.
При одноставочном тарифе плата Пээ производится по цене за 1 кВт∙ч пропорционально количеству потребленной энергии.
Пээ = Тээ ∙ Эээ,
где Тээ – тариф на электроэнергию, р./кВт∙ч; Эээ – количество потребленной электроэнергии, кВт∙ч.
Одноставочные тарифы применяются для расчета с бытовыми потребителями, государственными учреждениями, общественными организациями, с сельскохозяйственными потребителями, с электрифицированным транспортом и маломощными промышленными потребителями (с присоединенной мощностью менее 750 кВ∙А).
Преимущества этого тарифа в том, что он прост, понятен потребителям и не требует специальных приборов учета электрической энергии. Достаточно установить дешевый счетчик активной энергии.
Основным недостатком тарифа является материальная незаинтересованность потребителей в улучшении использования энергопотребляющих мощностей (уплотнении графика нагрузки энергосистемы).
Для подавляющего большинства промышленных и приравниваемых к ним потребителей применяется двухставочный тариф. В двухставочном тарифе размер платы определяется двумя ставками и состоит из двух частей: годовой платы за заявленную потребителем максимальную мощность (в часы максимума нагрузки энергосистемы) и дополнительной платы за фактически потребленную энергию.
Под заявленной мощностью понимается наибольшая получасовая электрическая мощность потребителя, совпадающая с периодом максимальной нагрузки энергосистемы. Заявленная мощность характеризует участие потребителя в формировании совмещенного максимума нагрузки энергосистемы.
Дополнительная плата за 1 кВт∙ч установлена за отпущенную потребителю активную электрическую энергию, учтенную счетчиком.
Годовая плата Пг за потребленную электроэнергию Эээ, кВт∙ч/год, при заявленном участии в максимуме нагрузки энергосистемы Pmax, р./год,
Пг = а∙Рmax + Тээ∙ Эээ,
где а – ставка платы за заявленную мощность (за год), р./(кВт∙год).
Двухставочный тариф экономически стимулирует потребителей к снижению своей нагрузки, участвующей в максимуме энергосистемы, и к смещению ее на другие часы суток.
С 2007 года правительство Беларуси, в качестве эксперимента, установило дифференцированные по времени суток и по сезонам года тарифы на электрическую энергию для населения. Данный тариф используется в квартирах оборудованных многофункциональными многотарифными электронными счетчиками электрической энергии. В соответствии с этим тарифом год разбит на два сезона: зимний и летний. Зимний сезон включает в себя месяцы с октября по март. Зона минимальных нагрузок в это период находится в интервале времени с 11.00 до 17.00 и с 20.00 до 8.00. В летний сезон (с апреля по сентябрь) зона минимальных нагрузок располагается по времени с 11.00 до 19.00 и с 22.00 до 8.00. В остальное время года и суток действует зона максимальных нагрузок. В выходные и праздничные дни тариф на электрическую энергию применяется в зоне минимальных нагрузок. Стоимость 1 кВт∙ч электроэнергии в зоне максимальных нагрузок в 3 раза выше, чем в зоне минимальных нагрузок. Такая дифференциация тарифов призвана, стимулировать потребителей электроэнергии к снижению ее потребления в период максимума загрузки энергосистемы, и к смещению потребления на другие часы суток.
Тарифы на тепловую энергию по экономическому содержанию аналогичны тарифам на электрическую энергию. Они дифференцированы по энергообъединениям и областям, а также по качеству тепловой энергии. Дифференциация тарифов, включающая качество тепловой энергии определяется: по видам теплоносителя (пар, горячая вода); по параметрам теплоносителя и по удаленности потребителя от источника теплоснабжения. При расчетах за потребленную тепловую энергию применяется одноставочный тариф. Этот тариф возрастает пропорционально параметрам теплоносителя, поскольку рост параметров отпускаемого теплоносителя приводит к повышению себестоимости производства энергии на ТЭЦ. Тарифы на тепловую энергию установлены исходя из требования полного возврата конденсата на ТЭЦ. За невозврат конденсата потребители вносят дополнительную плату, соответствующую затратам ТЭЦ на приготовление химически чистой воды. При отпуске тепловой энергии в виде горячей воды для нужд горячего водоснабжения потребители должны оплачивать полную стоимость использованной воды.
10.3. Экономическая и тарифная политика в энергетике.
Существующая система тарифообразования имеет ряд недостатков, выражающихся в следующем:
1. Социальная направленность тарифов, которая находит отражение в том, что некоторые группы потребителей потребляют энергию по ценам ниже себестоимости ее производства. Это приводит к неэкономному и расточительному расходованию ими энергии. Соответственно, для других групп потребителей (промышленных предприятий) цены повышаются, что приводит к повышению стоимости выпускаемой ими продукции и к снижению ее конкурентоспособности на внешних рынках.
2. Применяемая система оплаты за энергию обеспечивает прямую связь между прибылью энергосистемы и количеством проданной энергии. Энергосистема заинтересована в увеличении количества продаж вырабатываемой ими энергии. Для обеспечения государственной политики в области энергосбережения, в системе оплаты за энергию должна быть заложен механизм, который, с одной стороны, устраняла бы прямую заинтересованность энергосистемы в увеличении продаж энергии, а с другой – усиливал бы работу по контролю и побуждению потребителей к ее рациональному и экономичному расходованию.
3. Требует пересмотра, и структура самих тарифов в части их дифференциации по времени суток и по сезонам года. Для этого надо интенсифицировать внедрение в жизнь решения правительства РБ по дифференцированию тарифов для населения по времени суток и по сезонам. Во многих промышленно развитых странах мира такая система дифференцирования тарифов широко применяется. Опыт этих стран показывает, что применение такой системы тарифообразования позволяет сберечь до 10% энергии.
Государственное регулирование тарифов на электрическую и тепловую энергию объективно вытекает из условия формирования общереспубликанского рынка товаров и услуг, введения свободных цен на большую часть продукции, потребляемой энергетическими предприятиями, повышения экономической самостоятельности Республики Беларусь и предназначено обеспечить их самофинансирование, функционирование и развитие, как единого технологического комплекса.
Государственное регулирование определяет единый подход и порядок изменения уровня тарифов на электрическую и тепловую энергию и предназначено для решения следующих задач:
Регулирование производится облисполкомами и Минским горисполкомом по представлению областных производственных энергообъединений и региональных энергетических комиссий. В состав региональных комиссий включаются представители местных органов власти, производственного энергетического объединения и основных потребителей.
В условиях государственного регулирования тарифов на энергию поправочные коэффициенты к базовому уровню единых по республике и дифференцированных по группам потребителей тарифов на электроэнергию, отпускаемую от электрических сетей ГПО мБелэнерго", утверждает ГПО "Белэнерго" по согласованию с Госэкономпланом, а поправочные коэффициенты к базовому уровню тарифов на теплоэнергию, отпускаемую от тепловых сетей ГПО "Белэнерго", для потребителей области утверждают облисполкомы и Минский горисполком. При этом за базовый уровень принимаются утвержденные и действовавшие до момента пересмотра тарифы на энергию.
Пересмотр тарифов на энергию и введение поправочных коэффициентов к тарифам на нее производится по мере изменения общих экономических условий (цены поставляемого топлива, сырья, материалов, оборудования, запасных частей, покупной энергии, при повышении заработной платы и т.д.).
ГПО "Белэнерго" после принятия согласованного с Госэкономпланом решения по введению поправочных коэффициентов к единым по республике тарифам на электроэнергию и сроку их введения незамедлительно сообщает об этом областным производственным энергообъединениям.
Доведение до потребителей принятых ГПО "Белэнерго" по согласованию с Госэкономпланом, а также региональными энергетическими комиссиями при облисполкомах и Минском горисполкоме решений по введению поправочных коэффициентов к тарифам на энергию осуществляется областными производственными энергообъединениями в 10-дневный срок после их утверждения.
Вопросы для самоконтроля по теме 10.
11. ОСНОВЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО МЕНЕДЖМЕНТА И АУДИТА
11.1. Понятие энергоменеджмента, его цели, задачи и функции.
Эффективное энергосбережение связано не только с внедрением нового оборудования, передовых технологий, совершенствованием и модернизацией существующего оборудования, но и с правильно организованным управлением энергопотреблением, то есть энергоменеджментом и энергоаудитом.
Энергетический менеджмент представляет собой комплекс организационных, технических и нормативно-правовых мероприятий, направленных на повышение эффективности производства и рациональное использования энергоресурсов. Он является неотъемлемой частью общей структуры управления предприятием.
В тоже время энергетический менеджмент – это инструмент управления предприятием, который обеспечивает постоянное исследование, дающее возможность оперировать информацией о распределении и уровнях потребления энергоресурсов на предприятии, а также об оптимальном использовании энергоресурсов по различным направлениям деятельности предприятия.
Энергоменеджмент играя значительную роль в повышении экономической эффективности и экологической безопасности, к сожалению, получил свое развитие у нас лишь в 90-х годов прошлого столетия, гораздо позже, чем в других странах.
Основными задачами энергетического менеджмента являются:
Пути решения проблемы энергосбережения в народном хозяйстве состоят из организационных мероприятий и технических средств.
Организационные мероприятия включают в себя: контроль потребности предприятия в энергоресурсах, и обоснование правильного выбора той или иной технологии с точки зрения снижения удельного расхода энергии на выпуск единицы продукции.
Технические средства, в свою очередь, это: внедрение новых технологий и оборудования, призванного обеспечить снижение удельного расхода ТЭР; совершенствование и модернизация существующего оборудования; наиболее полное использование всех видов вторичных энергетических ресурсов; замена дорогих видов топлива дешевыми, с переходом на местные виды топлива.
Так как энергетический менеджмент является частью общего менеджмента, то он повторяет его иерархическую структуру. Различают энергетический менеджмент макроуровня и энергетический менеджмент микроуровня. Энергетический менеджмент макроуровня включает управление рациональным использованием топливно-энергетических ресурсов на межгосударственном, внутригосударственном, отраслевом, областном, районном и городском уровнях. Энергетический менеджмент микроуровня предусматривает управление рациональным и эффективным энергопотреблением соответственно на уровне организации, предприятия, учреждения и фирмы.
Для каждого уровня энергетического менеджмента существуют свои конкретные цели: [5]
Функции энергетического менеджмента включают в себя следующие виды деятельности: [5]
Выше перечисленный диапазон выполняемых менеджментом функций ставит перед руководством предприятия задачу о необходимости постоянного и динамичного взаимодействия с энергоменеджером с целью снижения потребления топливно-энергетических ресурсов.
11.2. Уровни деятельности энергоменеджеров.
Достаточно большой объем возложенных на энергоменеджмент задач и функций и, как следствие, на персонал, работающий в системе энергоменеджмента – энергоменеджеров, требуют от последних четкого представления своих функциональных обязанностей и возможностей их реализации.
Всю деятельность менеджеров по энергосбережению можно разбить на несколько уровней [3].
На первом уровне деятельности энергоменеджер должен воспринимать энергоменеджмент не как однократное мероприятие, а как постоянную, кропотливую многолетнюю работу по подготовке одних программ, а также исполнению и развитию других.
Второй уровень деятельности энергоменеджер предусматривает проведение работ по согласованию интересов собственного производства с возможностями партнеров, предлагающих реализацию мероприятий по энергосбережению.
На третьем уровне деятельности энергоменеджера предусматривается взаимодействие с региональными органами власти, общественными организациями и ведомствами по энергонадзору и энергосбережению.
Постоянное изучение и четкое знание нормативно-правовых актов, требований стандартов, руководящих документов в сфере энергосбережения и эффективного энергопотребления является четвертым уровнем деятельности.
Постоянное изучение передового отечественного и зарубежного опыта проведения энергосберегающих мероприятий, целенаправленное и непрерывное повышение собственной квалификации относится к пятому уровню деятельности энергоменеджера.
Вся текущая деятельность предприятия по энергосбережению планируется менеджером с обязательной оценкой необходимых энергетических и финансовых затрат.
Энергосберегающие мероприятия выполняются по следующим направлениям:
11.3. Понятие энергоаудита, его цели и задачи.
Одним из способов, позволяющим повысить эффективность работы промышленных предприятий, является рациональное использование топливно-энергетических ресурсов. На сегодняшний день доля энергозатрат в себестоимости продукции составляет достаточно большую величину 40—45 %, а в отдельных случаях достигает 60—70%. Для повышения эффективности использования ТЭР и снижения энергоемкости продукции и проводится энергетический аудит.
В соответствии с Законом Республики Беларусь “Об энергосбережении” обязательному энергетическому обследованию (аудиту) подлежат предприятия с годовым потреблением топливно-энергетических ресурсов более 1500 тонн условного топлива.
Энергетический аудит - это обследование предприятия, целью которого является сбор данных по всем источникам энергии, используемым на предприятии, ее удельном потреблении на единицу выпускаемой продукции, а также разработка рекомендаций и предложений по снижению энергетических затрат.
Он является основным инструментом энергетического менеджмента.
Основными задачами энергоаудита являются:
1) обследование работы энергетического и технологического оборудования с целью выявление неэкономичных режимов его работы;
2) выявление потенциала энергосбережения на предприятии по различным видам энергоносителей и оценка уровня финансирования энергосберегающих мероприятий;
3) составление комплексной программы по энергосбережению с технико-экономическим обоснованием эффективности применения предлагаемых мероприятий;
4) составление энергетического паспорта предприятия с отражением в нем всех основных сведений об его энергохозяйстве.
Целями энергетического аудита являются:
По результатам энергетического аудита производится оценка работы предприятия по эффективному использованию энергетических ресурсов. На основании выявленных недостатков в использовании топливно-энергетических ресурсов разрабатываются конкретные предложения по их устранению и отмечаются имеющиеся резервы экономии энергоресурсов, а также предлагаются эффективные энергосберегающие мероприятия.
11.4. Уровни энергоаудита и его основные объекты.
По объему выполняемых работ и сложности проведения энергетический аудит может быть:
Простой аудит состоит в определении наиболее значимых энергоэффективных мероприятий, внедрение которых позволит получить в короткое время значительный экономический эффект.
При сложном аудите выявляются не только внутренние резервы экономии ТЭР, но и влияние различных внешних факторов.
Предварительный аудит заключается в анализе потребления энергии каким-либо участком производства за определенный промежуток времени с целью определения удельного энергопотребления.
Подробный аудит проводится с целью сбора и записи полной информации о потребленной энергии на каждом участке производства за каждый временной период, а также в расчетах энергетических балансов и определении их эффективности.
Разовый аудита проводится с целью проверки расходования, как отдельных видов, так и всех ТЭР, потребляемых организацией в нестандартных ситуациях (слишком большой или, наоборот, малый расход, значительное отклонение фактического расхода ТЭР на единицу продукции от установленного по норме и др.).
Процесс энергетического обследования должен включать следующие этапы:
1. Разработка технической программы.
2. Проведение энергетического обследования в рамках технической программы.
3. Обработка и анализ результатов обследования.
4. Разработка мероприятий по сбережению топливно-энергетических ресурсов.
5. Составление энергетического паспорта.
Объектами энергетического аудита являются:
1. Паровые системы. Определяются характеристики рабочего тела (температура и давление пара), наличие и состояние конденсатоотводчиков, состояние теплоизоляции, утечки пара и возврат конденсата. В качестве энергосберегающих мероприятий могут выступать следующие: устранение утечек пара, восстановление теплоизоляции паропроводов, установка конденсатоотводчиков, обеспечение возврата конденсата, утилизация тепла конденсата.
2. Система сжатого воздуха. Обследуются компрессорные станции, системы распределения воздуха и регулирования давления, определяется величина давления воздуха у потребителя и присутствие в воздухе конденсата. Энергосберегающие мероприятия по этой системе включают в себя: устранение утечек воздуха в пневмопроводах и его осушку, установку систем регулирования давления, межступенчатое охлаждение, применение экономичных компрессоров и частотно-регулируемых электроприводов.
3. Водоснабжение. Обследуются насосные установки, электропривод насосов, режимы работы насосов, утечки и непроизводительные потери воды. В энергосберегающие мероприятия включаются: снижение потерь за счет устранения утечек воды, уменьшения потерь энергии на транспортирование воды по трубопроводным системам, модернизация электроприводов насосов.
4. Котельные установки. При их обследовании измеряются основные параметры (давление и состав дымовых газов, температура воды и воздуха, параметры пара, температура наружных поверхностей котельной установки). Производится анализ КПД установки, состояние теплоизоляции, потери тепла связанные с дымовыми газами и проточной водой. Оценивается общий тепловой баланс. Основные энергосберегающие мероприятия направлены на улучшение теплоизоляции наружных поверхностей котлов, установку автоматических регуляторов, уплотнение клапанов и дымового тракта, утилизацию тепла дымовых газов и продувочной воды, модернизацию электроприводов нагнетательных устройств.
5. Печи. Производится измерение параметров печи, определяются состав, давление и температура дымовых газов в топках, температура наружных поверхностей, расход и температура охлаждающей воды, характеристики электропривода нагнетательных устройств. В электрических печах определению подлежат их электрические параметры – нагрузка, мощность. Сбережению энергии способствует теплоизоляция наружных поверхностей печи, установка автоматических регуляторов, уплотнение заслонов и клапанов, утилизация тепла дымовых газов и воды, предварительный подогрев шихты за счет утилизируемого тепла, установка регенераторов, модернизация нагнетательных устройств и т.п.
6. Система кондиционирования воздуха, отопление и вентиляция. Изучаются характеристики электроприводов насосов и вентиляторов, системы регулирования работы теплообменных аппаратов, измеряются температура и расход теплоносителя, температура и влажность воздуха в помещениях и снаружи. Экономии энергии способствуют теплоизоляция трубопроводов, устранение утечек, рекуперация вентиляционного тепла, применение тепловых насосов, установка центральных и индивидуальных регуляторов.
7. Освещение. Определяется уровень освещенности помещения и его соответствие санитарным нормам, состояние окон и осветительных приборов. Основное энергосбережение достигается: путем замены ламп накаливания на более экономичные типы ламп, за счет использования естественного и местного освещения, внедрением системы автоматического регулирования (установка датчиков движения и таймеров, секционирование осветительных сетей).
8. Здания. Обследуется качество изоляции стен, уплотнение дверных и оконных проемов, системы водоснабжения, отопления, освещения, вентиляции и кондиционирования. Энергосберегающие мероприятия – дополнительная изоляция стен и перекрытий, энергосберегающее остекление, установка регулирующих устройств, модернизация системы отопления и водоснабжения.
Вопросы для самоконтроля по теме 11.
12. Энергетический баланс предприятия и основы нормирования расхода энергетических ресурсов.
12.1. Понятие энергобаланса, его составные части.
Энергетический баланс промышленного предприятия является инструментом энергетического менеджмента и наиболее важной характеристикой энергетического хозяйства предприятия. Он отражает достоверное количественное соответствие между потребностью предприятия в ТЭР и его количеством, поступившим на данный момент времени. Энергобаланс наглядно и полно показывает структуру энергетических затрат предприятия, характеризует уровень энергоиспользования на нем и позволяет оценить резервы экономии топлива и энергии.
Энергобаланс — баланс добычи и использования всех видов энергетических ресурсов и энергии в производстве.
По своей сути энергобаланс является отражением закона сохранения энергии в условиях конкретного производства.
В общем случае энергобаланс состоит из приходной и расходной частей.
Приходная часть энергобаланса содержит количественный перечень всех энергетических ресурсов и видов энергии, поступающей на предприятие (ископаемое топливо, вода, воздух, тепловая и электрическая энергии).
Расходная часть энергобаланса определяет расход энергетических ресурсов и энергии всех видов на выпуск продукции, а также потери энергии при ее транспортировке и преобразовании из одного вида в другой.
Как и в любых других балансах, например, бухгалтерских, приходная и расходная часть энергобаланса должны быть равны между собой.
Разработка энергетических балансов важна потому, что создает научно-техническую базу нормирования потребления энергии, способствуя улучшению использования энергетических ресурсов промышленных предприятий.
Составление баланса производится на основе фактических данных о потреблении различных видов энергии и энергоресурсов на конкретных участках, цехах и производствах предприятия (энерго- и электрооборудование, освещение и т.д.), и для получения такой информации используются специальные измерительные приборы – счетчики электроэнергии, газа, пара, воды и т.п.
В зависимости от масштаба решаемых задач, балансы, составляемые на промышленных предприятиях, подразделяются на балансы:
а) отдельных операций и агрегатов;
б) совокупных производственных процессов участков, цехов и комплексных энергоустановок (котельные, компрессорные станции, заводские ТЭС);
в) промышленных предприятий.
По своему назначению энергетические балансы промышленных предприятий подразделяются на фактические (отчетные), плановые, перспективные и нормализованные балансы.
Фактические балансы целесообразно составлять за полные календарные годы. Они отражают фактические показатели производства и потребления энергии и качественный фактический среднегодовой уровень использования энергии в истекшем году. Фактические балансы служат основой для анализа энергоиспользования, выявления источников потерь и оценки резервов экономии энергии.
Плановые балансы составляют на годичные отрезки времени. Это — основная форма планирования энергопотребления и энергоснабжения предприятия. Составляют такие балансы применительно к заданной производственной программе предприятия. Плановые балансы разрабатываются на базе плановых норм удельных расходов энергии с учетом заданий по снижению этих норм и эффективности энергосберегающих мероприятий.
Перспективные энергетические балансы соответствуют перспективным плановым показателям производственной программы предприятия на длительные сроки (до 5 лет) и отражают намечаемые на эти периоды, коренные изменения в технологии, организации и объеме производства.
В ходе составления перспективных энергетических балансов на базе технико-экономических расчетов решаются вопросы выбора рациональных видов энергоносителей для тех или иных процессов, обосновываются оптимальные направления, способы и размеры использования вторичных энергоресурсов.
Нормализованные энергетические балансы отражают наиболее прогрессивный, обоснованный технико-экономическими расчетами, уровень использования энергии предприятием. Базой для расчета таких энергетических балансов должны служить прогрессивные удельные нормативы потерь и полезного потребления энергии, соответствующие оптимальным техническим условиям.
В зависимости от вида и параметров энергоносителей баланс может быть:
─ частным, составленным по отдельным видам энергии и отдельным видам и параметрам энергоносителей;
– либо сводным энергетическим балансом, представляющим собой систему связанных между собой частных балансов.
При составлении частных энергетических балансов количественное измерение энергоносителей производится в джоулях (Дж, МДж, ГДж), киловатт∙часах (кВтч), паскалях (Па, кПа, МПа).
При составлении сводного энергетического баланса измерение различных видов энергии и энергоресурсов производится в тоннах условного топлива (т У.Т.).
По каждому виду энергии, топлива и других энергоносителей предприятие должно составлять энергетический баланс (баланс энергоносителей). Совокупность таких балансов принято называть топливно-энергетическим балансом предприятия.
К числу энергоносителей, по которым промышленные предприятия должны в общем случае составлять частные или сводные балансы, относятся:
К видам энергии, используемым на промышленных предприятиях, относятся:
Основными видами энергии, потребляемой в РБ промышленностью, городским и сельским хозяйствами, являются тепловая и электрическая энергия. Поэтому составляют частные энергобалансы — тепловые и электрические.
12.2. Электробаланс предприятия.
Рассмотрим особенности составления электробалансов.
Также как и энергетические балансы электробалансы по назначению подразделяются на фактические, нормализованные и перспективные балансы.
Главная цель электробаланса — определение степени полезного использования электроэнергии, а также поиск путей снижения потерь, рационализации электропотребления и энергосбережения.
В связи с этим основным видом баланса следует считать баланс активной энергии, который в основном определяет реальный режим электропотребления и уровень использования электроэнергии.
Основными задачами составления электробаланса являются:
Приходная и расходная части принимаются и учитываются по показаниям счетчиков активной энергии и расчетной мощности.
Расходная часть электробаланса активной электроэнергии делится на следующие статьи расхода:
1) прямые затраты электроэнергии на основной технологический процесс, связанный с выпуском продукции, без учета потерь в различных звеньях энергоемкого производственного оборудования (электрические печи, компрессорные и насосные установки и т.д.);
2) косвенные затраты электроэнергии на основной технологический процесс из-за его несовершенства или нарушения технологических норм или режимов;
3) затраты электроэнергии на вспомогательные нужды (отопление, вентиляцию помещений цехов, цеховой транспорт, освещение);
4) потери электроэнергии в элементах системы электроснабжения (трансформаторах, реакторах, линиях электропередач, различных преобразующих устройствах и т.п.);
5) отпуск электроэнергии посторонним потребителям (столовым, клубам, магазинам) [3].
12.3. Методы учета энергии.
Одним из условий обеспечения рационального энергосбережения является постоянный учет расходования энергоресурсов. В настоящее время существуют три метода учета энергии:
1) приборный - (с помощью измерительных приборов);
2) расчетным метод;
3) опытно-расчетный метод.
Каждый из выше приведенных методов учета предполагает:
Регистрация первичных показателей энергоносителей и их оперативный учет, а также первичный учет нагрузок производится по показаниям измерительных приборов (самопишущих или показывающих) и результаты замеров фиксируются в первичной документации учета энергии.
К первичной документации учета энергии относятся: суточные ведомости эксплуатации агрегатов, вахтенные (оперативные) журналы, графики нагрузок, диаграммы самопишущих приборов и др. Первичная документация учета должна содержать информацию, на основании которой составляется энергетический баланс и технический отчет по эксплуатации, а также в них заносятся сведения, характеризующие качество обслуживания оборудования и его техническое состояние. Все показатели первичной документации фиксируются в суточных ведомостях с отметкой через каждые полчаса.
Кроме первичных документов учета энергии на промышленном предприятии должны вестись вторичные документы, которые отражают итоговые и средние показатели работы оборудования и персонала за смену и сутки. Вторичная документация — это суточные рапорты по эксплуатации установок и энергохозяйства, ведомости (рабочие тетради). На основании данных вторичной документации составляются месячные энергобалансы, квартальные технические отчеты по эксплуатации, подводятся итоговые показатели и их анализ [3].
Наиболее точным и прогрессивным является учет потребления энергии и энергетических ресурсов с помощью соответствующих измерительных приборов. Все другие способы являются вспомогательными и применяются в основном для распределения расхода энергии между потребителями, имеющими общий ее учет.
Расчетный метод учета энергии основан на расчете потребления энергии энергопотребляющими установками на основании паспортных данных по потреблению ими энергии и времени их работы. Однако он не дает точных сведений о расходе энергетических ресурсов и применяется в тех случаях, когда установка приборов не требуется.
Опытно-расчетный метод учета основан на сочетании периодических разовых замеров расхода энергетических ресурсов с помощью измерительных приборов и дальнейшее определение их расчетным путем. Этот метод рекомендуется применять в тех случаях, когда установка приборов учета на данном объекте экономически не оправдана, а расчетный метод не обеспечивает достаточной точности определения потребляемых энергоносителей.
12.4. Понятие и классификация норм расхода энергоресурсов.
В комплексе мероприятий по рациональному расходованию энергетических ресурсов и энергии важное место занимает энергетическое нормирование.
Норма расхода топливно-энергетических ресурсов – мера потребления ТЭР на единицу продукции (работы, услуги) определенного качества в планируемых условиях производства.
Основная задача нормирования — обеспечить применение при планировании и в производстве технически и экономически обоснованных, прогрессивных норм расхода топлива, тепловой и электрической энергии для осуществления режима экономии, рационального распределения и наиболее эффективного их использования.
Нормированию подлежат все расходы топлива, тепловой и электрической энергии на основные и вспомогательные производственно-эксплуатационные нужды (отопление, вентиляцию, освещение, водоснабжение и др.), включая потери в сетях независимо от объема потребления указанных ресурсов и источников энергоснабжения.
Наряду с нормами расхода топлива, тепловой и электрической энергии на предприятиях должны также устанавливаться нормы расхода сжатого воздуха, кислорода, воды на производство продукции (работы).
Для комплексной оценки эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в производстве однотипной или взаимозаменяемой продукции (работы) определяются обобщенные удельные энергозатраты (проектные, плановые, фактические), включающие прямые расходы всех типов топлива и энергии в производстве единицы продукции (работы), приведенные в единицах измерения условного топлива (т У.Т.). Удельные энергозатраты определяются на основе соответствующих удельных расходов топлива, тепловой и электрической энергии в производстве единицы продукции (работы) и нормативных топливных эквивалентов тепловой и электрической энергии.
Выполнение установленных норм расхода является обязательным условием при материальном стимулировании за экономию топливно-энергетических ресурсов.
Нормы расхода топлива, тепловой и электрической энергии должны: разрабатываться на всех уровнях планирования по всей номенклатуре продукции и видов работ, согласованной с вышестоящей организацией на единой методической основе; учитывать условия производства, достижения научно-технического прогресса, плана организационно-технических мероприятий, предусматривающие рациональное и эффективное использование топлива, тепловой и электрической энергии. Нормы расхода должны систематически пересматриваться с учетом планируемого развития и технического перевооружения производства, достигнутых наиболее экономичных показателей использования топливно-энергетических ресурсов; способствовать выполнению плановых заданий и достижению высоких экономических показателей производства.
Нормы расхода топлива, тепловой и электрической энергии в производстве классифицируются по следующим основным признакам:
По степени агрегации нормы подразделяются на индивидуальные и групповые; по составу расходов — на технологические и общепроизводственные; по периоду действия, т.е. времени, в течение которого эти нормы действуют, – на годовые и квартальные.
Индивидуальной нормой называется норма расхода ресурсов на производство единицы продукции, которая устанавливается по типам или отдельным топливо- и энергопотребляющим агрегатам, установкам, машинам, технологическим схемам применительно к определенным условиям производства продукции.
Групповой нормой называется норма расхода на производство планируемого объема одноименной продукции согласно установленной номенклатуре по уровням планирования, например, объединение, предприятие.
Технологической нормой называется норма расхода, которая учитывает затраты ресурсов на основные и вспомогательные технологические процессы производства данного вида продукции, на поддержание технологических агрегатов в горячем резерве, их разогрев и пуск после текущих ремонтов и холодных простоев, а также технически неизбежные потери энергии при работе оборудования, технологических агрегатов и установок.
Общепроизводственной нормой называется норма, учитывающая расходы энергии на основные и вспомогательные технологические процессы, вспомогательные нужды производства (общепроизводственное цеховое и заводское потребление, отопление, вентиляцию, освещение и др.), а также технически неизбежные потери энергии в преобразователях, тепловых и электрических сетях предприятия (цеха), отнесенные на производство данной продукции.
12.5. Разработка норм расхода энергии.
Основными методами, используемыми при разработки норм расхода различных видов энергетических ресурсов и энергии, являются: опытный, отчетно-статистический и расчетно-аналитический.
При опытном методе норму устанавливают на основе опытов и испытаний, проведенных в лабораториях. Опытный метод используется тогда, когда рассчитать норму из-за отсутствия данных невозможно или затруднительно.
При отчетно-статистическом методе нормирования нормы устанавливают на основе отчетных данных о фактическом расходе различных видов энергетических ресурсов и энергии за прошедшие периоды. Нормы, установленные таким методом, необоснованны и, как правило, непрогрессивны. Этот метод не в состоянии выявить и реализовать прогрессивные тенденции использования энергетических ресурсов, привести в действие резервы экономии, он базируется на отчетных данных о фактическом удельном расходе за прошлые годы.
Расчетно-аналитический метод в большей степени отвечает требованиям разработки научно обоснованных, прогрессивных норм. Он предусматривает определение норм расхода топливно-энергетических ресурсов расчетным путем по статьям расхода ТЭР при производстве продукции с учетом достигнутых прогрессивных показателей использования ТЭР и планируемых мероприятиях по энергоэффективности.
Расчетно-статистический метод основан на разработке экономико-статистических моделей, которые представляют собой зависимости фактического удельного расхода ТЭР от воздействующих на него факторов, при этом:
Из рассмотренных методов нормирования потребления ТЭР наиболее предпочтительным является расчетно-аналитический метод. Нормы, определенные этим методом являются технически обоснованными.1
Прогрессивные нормы должны быть динамичными. Они должны пересматриваться по мере развития техники, совершенствования технологических процессов, выявления новых резервов экономии энергии.
Удельный расход энергии — сложный технико-экономический показатель работы оборудования и персонала. Его уровень определяется многими первичными параметрами данной операции или данного процесса.
В число параметров отдельной операции, влияющих на уровень удельного расхода энергии, входят физико-химические, геометрические и весовые характеристики сырья, материалов и полуфабрикатов, используемых в операции, и аналогичные характеристики той продукции, которая должна быть получена в результате этой операции. Сюда же относятся технологические параметры (режимы) работы соответствующего оборудования (скорость, глубина резания и величина подачи режущего инструмента, температура нагрева и время выдержки металла в печи и т. п.) и технологические характеристики применяемых инструментов.
Нормирование удельных расходов энергии начинают с выявления состава параметров и первичных показателей и их влияния на производительность оборудования и удельные расходы энергии по операциям и процессам. После этого переходят к составлению норм, добиваясь того, чтобы они находились на прогрессивном уровне, обеспечивающем высокую производительность оборудования и наименьшие удельные расходы энергии, достижимые в заданных условиях производства. Например, при нормировании расхода топлива или электроэнергии на термообработку металлов необходимо располагать данными о том, в какой мере продолжительность нагрева и полезный расход тепла на нагрев зависят от температуры по зонам печи. ___________________________________
1 Методические указания по нормированию потребления тепловой и электрической энергии в учреждениях и организациях социальной сферы. Мн.,2003.
Комплексное технико-экономическое обоснование норм удельных расходов энергии выливается в разработку нормализованных энергетических балансов процессов и операций, при проведении которой используются указанные первичные зависимости, паспортно-технические характеристики оборудования и нормативы удельных потерь по их элементам.
Энергетический баланс показывает структуру расхода энергии и отражает взаимосвязи между первичными показателями и параметрами процесса. Однако он и определяемый им абсолютный или удельный расход энергии всегда соответствуют строго определенным значениям этих показателей.
В основу разработки технологических норм должны быть положены энергетические балансы, в расходной части которых определяется полезная составляющая и величина потерь. Такое разделение технологической нормы позволяет определить величину потерь, наметить конкретные мероприятия по их снижению и составить нормализованный энергетический баланс агрегата.
При соблюдении указанных условий технологическая норма Нтех может быть определена по выражению
Нтех = (Епол + Еп )/Пр,
где Епол — полезная составляющая расхода топлива или энергии; Еп — потери топлива или энергии; Пр — выпуск продукции в натуральном выражении.
Общепроизводственные цеховые нормы должны включать: ΣЕтех — суммарный расход энергии на технологические цели; Евсп — расход энергии на вспомогательные нужды (отопление, вентиляцию, освещение и др.); Ецсп — потери энергии в цеховых сетях и преобразовательных установках, т. е.
Нцех = (ΣЕтех + Евсп + Ецсп)/Прц.
Общепроизводственные заводские нормы включают: ΣЕц — суммарный расход энергии в основных и вспомогательных цехах; Ез — общезаводской расход энергии на отопление, вентиляцию, освещение, горячее водоснабжение; Езсп — потери энергии в общезаводских сетях и преобразовательных установках:
Нз = (ΣЕц + Ез + Езсп)/Прз.
Следует учитывать, что технологические нормы, определенные для однотипной продукции на разных предприятиях, могут отличаться друг от друга. Объясняется это факт можно различными условиями производства, качеством исходного сырья и материалов, различными отступлениями от принятой технологии и т.д.
Вопросы для самоконтроля по теме 12.
13. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ, СТРОИТЕЛЬСТВЕ И АПК
13.1. Системы энергоснабжения предприятия.
Надежное энергообеспечение предприятия – это одно из наиболее важных условий, дающих гарантию его полнокровного функционирования или посреднической деятельности. Исполнение, структура и размер системы энергообеспечения зависят от отраслевого профиля предприятия, объемов производства и используемых технологических процессов. В связи с тем, что предприятие, как правило, в своей деятельности используют широкий спектр энергоносителей, то система энергообеспечения часто разделяется на подсистемы по видам энергоносителей.
Примерная схема энергообеспечения предприятия представлена на рисунке.13.1.
Рисунок 13.1 Принципиальная схема энергосистемы предприятия:
ГТП – головная трансформаторная подстанция; НС – насосная подстанция; ТПУ – теплоузел; ТУ – технологические установки; УУ – утилизационная установка.
В каждой из этих подсистем можно выделить составляющие ее основные элементы: источники энергии, системы распределения, потребителей энергии и системы утилизации энергетических отходов. По взаимному расположению источников энергии и потребителей различают системы центрального и местного энергоснабжения.
Основными энергоресурсами на современном предприятии являются электрическая и тепловая энергия. Электроэнергия поступает из энергосистемы по воздушным или кабельным линиям электропередачи на головную трансформаторную подстанцию (ГТП) предприятия, где производится ее первичный учет и распределяется по внутренним электрическим сетям между конечными потребителями. На головной подстанции с помощью понижающих трансформаторов происходит понижение напряжения до величины 0,4 кВ. Тепловая энергия поступает от ТЭЦ в виде пара или горячей воды, имеющих различные параметры теплоносителя (давление и температуру), на центральный теплоузел (ТПУ), где и происходит ее распределение по тепловым распределительным сетям предприятия к ее потребителям. Иногда в структуре предприятия находятся собственные ТЭЦ или котельные, вырабатывающие для собственных нужд тепловую энергию. На тепловых узлах происходит преобразование теплоносителя из одного вида в другой, а также изменение его параметров.
Все промышленные предприятия в своей работе широко используют различные виды топлив. Они в основном используется для осуществления различных видов технологических процессов, начиная, от выплавки чугуна и стали до применения его в качестве топлива для внутризаводского транспорта. В зависимости от потребности производства в топливе оно может поступать на предприятие в твердом виде: уголь, кокс, древесина; в жидком виде: светлые сорта топлив из нефти, мазут и в газообразном: природный газ, сжиженный газ и газ, представляющий собой отходы различных производств (доменный, мартеновский и коксовый газ). На территории предприятия организуются системы учета, хранения, переработки, распределения и утилизации всех видов топлива.
В качестве дополнительных источников энергии на предприятии могут быть использованы различные виды вторичных энергетических ресурсов, которые могут быть использованы сразу или с помощью различных утилизационных установок (УУ).
К системам энергообеспечения относятся также системы снабжения предприятия технологической и хозяйственно-питьевой водой, канализационные системы, системы очистки и утилизации сточных вод. Современные технологии очистки производственных вод позволяют обеспечить возврат оборотной воды в систему технологического водоснабжения. Это позволяет снизить уровень потребления воды из городской сети водоснабжения.
13.2. Основные направления энергосбережения в промышленности.
Достаточно большим потенциалом энергосбережения обладают предприятия промышленности. Величина этого потенциала, утвержденная в Республиканской программе энергосбережения на 2006 - 2010 годы составляет 27,3%. При суммарном потреблении ТЭР в 2004 году всеми предприятиями Министерства промышленности в объеме 1938,3 тыс. т У.Т., планируемая экономия за счет внедрения энергосберегающих мероприятий в 2006-2010 годах должна составить 530 тыс. т У.Т.
Производственный комплекс предприятий Министерства промышленности Республики Беларусь, сложившийся за многие годы его существования, сориентирован на создание сложной науко- и материалоемкой продукции. Для ее производства используется в большом количестве сырье, материалы и комплектующие, поступающие на предприятия из-за пределов Беларуси, что в основном и определяет ее конкурентоспособность на мировом рынке и цену. Обще известным фактом является и то, что у нас в стране на выпуск одноименной продукции, по сравнению с зарубежными предприятиями, тратится в 2…2,5 раза больше ТЭР. Исходя из сложившейся ситуации, одним из важнейших приоритетов научно-технической политики Минпрома стала политика энерго- и ресурсосбережения. Работа Минпрома по энергосбережению осуществляется по следующим основным приоритетным направлениям:
Для реализации этих программ, направленных на разработку и создание конкурентоспособной продукции, привлекаются конструкторские и технологические подразделения всех крупнейших предприятий и объединений, таких как МТЗ, МАЗ, БелАЗ, Гомсельмаш и др. Широко привлекаются научно-исследовательские и проектно-конструкторские организации отраслевой науки, а также научный потенциал академии наук и учебных заведений.
Так, например, на МТЗ при расчете потребления ТЭР на текущую пятилетку до 2011 года планируется за счет совершенствования организации производства, внедрения новых видов оборудования и новых прогрессивных технологических процессов обеспечить увеличение объемов производства (в денежном выражении) почти на 300%, но при этом потребление ТЭР не должно увеличится более чем на 170%. Энергоемкость продукции предприятия планируется снизить в 1,8 раза.
Предприятия отрасли разрабатывают и создают новую конкурентоспособную продукцию. Так на МТЗ создан новый 3-й класс энергонасыщенных тракторов Беларус-1523 – 2022 с мощностью двигателей в 150 – 210 л.с. У этого семейства тракторов полный привод в сочетании с надежной синхронизированной трансмиссией и экономичным дизелем обеспечивают минимальный расход топлива (12 – 16 л на гектар пахоты) при высокой производительности, превосходя аналогичную продукцию стран СНГ и дальнего зарубежья. Система автоматизированного регулирования обработкой почвы позволяет без вмешательства механизатора поддерживать необходимое качество обработки почвы. Автоматическое включение переднего моста и блокировки дифференциала заднего моста обеспечивают высокие тягово-сцепные показатели. По требованиям потребителей на МТЗ предусмотрен выпуск тракторов, соответствующих требованиям эмиссионных стандартов 1-й и 2-й ступеней (Евро-1 и Евро-2). Повсеместное использование этих тракторов позволит снизить расход топлива на единицу обработанной площади на 25—30 %. Выпускаемые Минским автозаводом магистральные седельные тягачи нового поколения МАЗ 544069 и МАЗ 643008 только за счет более совершенной конструкции двигателей, трансмиссии, подвески автомобилей, шин и мостов позволяют экономить до 15 - 20 % топлива.
Подобная тенденция снижения энергопотребления наблюдается по всему перечню вновь осваиваемой продукции.
13.3. Основные направления энергосбережения в строительстве.
Предприятия, находящиеся в подчинении Министерства архитектуры и строительства, обладают большим потенциалом энергосбережения. Величина этого потенциала, утвержденная в Республиканской программе энергосбережения на 2006 - 2010 годы составляет 22,6%. При суммарном потреблении ТЭР в 2004 году всеми предприятиями Минстройархитектуры в размере 1524,8 тыс. т У.Т., планируемая экономия за счет внедрения энергосберегающих мероприятий в 2006-2010 годах должна составить 345 тыс. т У.Т.
Производство высококачественных строительных материалов основано на тепловых процессах, связанных с расходом значительного количества топливно-энергетических ресурсов. При этом коэффициент полезного их использования в отрасли не превышает 40%.
Значительное количество энергоресурсов внутри отрасли производства строительных материалов потребляется при изготовлении цемента. Традиционный мокрый способ производства цемента является энергоемким процессом. При этом способе производства удельный расход энергоресурсов на отжиг клинкера примерно в 1,5–2 раза выше, чем при сухом способе. Поэтому одним из главных направлений энергосбережения является применение сухого способа производства цемента.
В производстве бетона энергосберегающими являются производство и внедрение добавок-ускорителей отвердения бетона для перехода на малоэнергоемкую технологию производства сборного железобетона. Насущной задачей для всего строительного комплекса является организация выпуска строительных и изоляционных материалов и конструкций, снижающих теплопотери через ограждающие конструкции зданий.
Строительство жилых домов, являясь приоритетным направлением социально-экономического развития Республики Беларусь, активно стимулируется государством, получает первоочередное финансирование и кредитование.
Коммунальное хозяйство и жилищные организации в республике являются крупнейшими потребителями тепловой энергии. Они потребляют до 60% от всей вырабатываемой в республике тепловой энергии.
Значительные резервы экономии топлива заключены в рациональном архитектурно-строительном проектировании новых зданий. Экономия может быть достигнута: соответствующим выбором формы и ориентации зданий; объёмно-планировочными решениями; выбором теплозащитных качеств наружных ограждений.
Перерасход теплоты в зданиях происходит, в основном, из-за:
-пониженных по сравнению с расчётным значением теплозащитных свойств ограждающих конструкций (стен), оконных проемов;
-потери теплоты через неплотности в притворах окон и балконных дверей;
-перегрева помещений из-за неотрегулированности системы отопления, особенно в переходные периоды года;
-потери теплоты через неизолированные трубопроводы;
-не заинтересованности теплоснабжающих организаций в сокращении расхода теплоты;
-повышенного воздухообмена в помещениях нижних этажей.
При сравнении расчетного годового теплопотребления в г. Минске в 70 – 90 кВт∙ч/м2 с немецкими нормативами в 35 – 50 кВт∙ч/м2 виден значительный потенциал экономии. Рассмотрим типовую структуру потерь тепловой энергии зданием, а также потенциал энергосбережения по каждому конструктивному элементу (см. таблицу 13.1)
Таблица 13.1 Потери энергии и потенциал энергосбережения в зданиях
|
№ п/п |
Конструктивный элемент |
Потери теплоты, % |
Потенциал энергосбережения, % |
|
1 |
Наружные стены |
30 |
35 - 50 |
|
2 |
Окна |
35 |
40 - 45 |
|
3 |
Вентиляция |
15 |
35 - 40 |
|
4 |
Пол, потолок |
8 |
35 - 40 |
|
5 |
Горячая вода |
10 |
25 - 30 |
Как видно, основное потребление тепловой энергии связано с отоплением здания для компенсации потерь тепла через стены, окна, пол, потолок и за счет вентиляции помещений.
Оснащение потребителей тепла средствами контроля и регулирования расхода позволит сократить затраты энергоресурсов не менее, чем на 10- 14%, а при учёте изменения скорости ветра - до 20%. Автоматическое регулирование работы центральных и индивидуальных тепловых пунктов и сокращение или ликвидация потерь сетевой воды дает экономию до 10%. С помощью регуляторов и средств оперативного контроля температуры в отапливаемых помещениях можно стабильно выдержать комфортный режим при одновременном снижении температуры на 1-2°С. Это даст возможность сократить потребление топлива, расходуемого на отопление, до 10%.
Известно, что недостаточная теплоизоляция ограждающих конструкций и других элементов зданий приводит к значительным теплопотерям. Интересные испытания эффективности применения теплоизоляции проведены в Канаде. В результате теплоизоляции наружных стен полистиролом толщиной 5 см. тепловые потери были снижены на 65%. Теплоизоляция потолка матами из стекловолокна позволила снизить потери тепла на 69%. Окупаемость затрат на дополнительное устройство теплоизоляции - менее 3 лет. В течение отопительного сезона достигалась экономия по сравнению с нормативными решениями - в интервале 14-71%.
Использование бетона низкой плотности с наполнителями в виде перлита или других лёгких материалов для изготовления ограждающих конструкций зданий позволяет в 4-8 раз повысить термическое сопротивление наружных стен.
Одним из последних достижений в области энергосбережения на Западе, а также успешным средством для целенаправленной экономии энергии является регенерация тепла. Регенерация тепла означает утилизацию тепловой энергии из удаляемого при помощи технических установок комнатного воздуха и передача ее поступающему в помещения воздуху. В результате повышается комфортность комнатных условий, а также снижается тепловая нагрузка на систему отопления, а следовательно, и годовая потребность в энергии для нагрева или для охлаждения приточного воздуха. На базе вышеприведенной и других идей энергосбережения и эффективного использования энергии в Германии и других европейских странах уже строятся "пассивные" дома, использующие минимум внешней энергии.
Приоритетными направлениями повышения эффективности использования ТЭР и реализации потенциала энергосбережения в строительстве являются:
Необходимые инвестиции на 2006-2010гг. – 40-45 млрд. руб., из них собственные – до 30%.
Любое лицо или организация, намеревающиеся строить здания, обязаны принять все меры для предотвращения тепловых потерь и для рационального использования всех видов энергетического оборудования в здании в соответствии со стандартами, устанавливаемыми Министерством архитектуры и строительства.
13.4. Основные направления энергосбережения в АПК.
Сельскохозяйственные предприятия, находящиеся в подчинении Минсельхозпрода, обладают значительным потенциалом энергосбережения. Величина этого потенциала, утвержденная в Республиканской программе энергосбережения на 2006 - 2010 годы составляет 27,4%. При суммарном потреблении ТЭР в 2004 году всеми сельскохозяйственными предприятиями в объеме 1748,7 тыс. т У.Т. планируемая экономия за счет внедрения энергосберегающих мероприятий в 2006-2010 годах должна составить 480 тыс. т У.Т.
В качестве основных причин неэффективного использования топливно-энергетических ресурсов сельскохозяйственными предприятиями можно выделить следующие:
Приоритетными направлениями повышения эффективности использования ТЭР и реализации потенциала энергосбережения в АПК являются:
Первоочередные мероприятия:
Вопросы для самоконтроля по теме 13.
14. ЭКОНОМИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ И ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В БЫТУ
14.1. Основные направления энергоснабжения в коммунально-бытовом секторе.
Крупнейшим потребителем топливно-энергетических ресурсов является коммунально-бытовой сектор экономики. Социально-экономическая политика, проводимая Правительством Республики Беларусь, направлена на создание комфортных условий жизни людей. Эти условия обеспечиваются качественным отоплением, освещением и массовым использованием бытовых электрических приборов.
Коммунально-бытовым сектором в 2004 году было потреблено 8543 тыс. т У.Т., что составило 21,3% от общего потребления ТЭР в Республике Беларусь. Потенциал энергосбережения, утвержденный Республиканской программой энергосбережения на 2006 – 2010 годы составляет 8,7%, а планируемая экономия за счет внедрения энергосберегающих мероприятий должна составить 740 тыс. т У.Т.
Из всей структуры теплопотребления в республике, коммунально-бытовой сектор расходует около 60% тепловой энергии. Эта энергия в основном используется для отопления домов (60 – 70%) и горячего водоснабжения (30 – 40%). Потребление электрической энергии составляет около 30% от ее общего потребления. К сожалению, необходимо констатировать, что бытовое энергопотребление у нас неэффективно и приблизительно в 1,5 – 2 раза выше, чем в европейских странах с аналогичными климатическими условиями.
В пользу выбора режима энергосбережения в быту говорят многочисленные факты, подтверждающие, что сложившиеся повседневные расходы бытовой энергии можно снизить на 30 - 40% практически без особых затрат и инвестиций. Для этого достаточно рационально и эффективно пользоваться энергией, изменить некоторые привычки, сложившиеся во времена бесплатных социальных гарантий.
Также следует помнить, что снижение расходов энергии напрямую улучшает экологическую обстановку в стране, сокращает загрязнение воздушного бассейна, снижается вероятность глобального потепления.
14.2. Направления экономии электрической энергии.
Освещение помещений. Большое количество электроэнергии в быту расходуется на освещение помещений. Освещение складывается из естественного и искусственного. Любое из них должно обеспечивать достаточную освещенность помещений и особенно тех, где наиболее часто пребывают люди. В помещения, окна которых выходят на север и частично на запад и восток, попадает в основном рассеянный солнечный свет. Для улучшения естественного освещения таких комнат отделку стен и потолка рекомендуется делать светлой. Естественная освещенность зависит также от потерь света при попадании через оконные стекла. Запыленные стекла могут поглощать до 30% света и поэтому их надо постоянно поддерживать в надлежащей чистоте.
Искусственное освещение создаётся электрическими световыми приборами. В современных квартирах могут использоваться три системы освещения: общая, местная и комбинированная.
При общем освещении рекомендуется заниматься работой, не требующей сильного напряжения зрения. В тоже время светильники общего освещения неизбежно являются самыми мощными светильниками в помещении, так как их основная задача - осветить всё пространство как можно более равномерно. Для этого обычно используют потолочные или подвесные светильники, установленные под потолком по центру комнаты. Общую освещённость можно считать достаточной, если на 1 кв. м площади приходится 15-25 Вт мощности ламп накаливания. В комнате площадью 20 м2 требуется установка светильников мощностью 400 - 500 Вт.
В одном или нескольких местах этого же помещения следует обеспечить местное освещение с учётом конкретных условий. Для создания такого освещения требуется использование специальных светильников, устанавливаемых в непосредственной близости к письменному столу, креслу, туалетному столику и т.п.
Комбинированное освещение достигается одновременным использованием светильников общего и местного назначения. Местное создаётся световым потоком, направленным вниз (одна лампа накаливания мощностью 100, 150, 200 Вт), а общее - световым потоком, рассеянным во всех направлениях (несколько ламп мощностью 15-40 Вт).
Принято считать рациональным принцип рассредоточенного освещения, основанный на использовании общего, комбинированного или местного освещения отдельных функциональных зон. Если при освещении этих зон использовать лампы направленного света, настольные лампы, торшеры, бра, то в квартире станет уютнее, а, следовательно, и комфортнее. Для такого рассредоточенного освещения подходят лампы в 1,5-2 раза менее мощные, чем в подвесных светильниках. В результате на комнату площадью 18-20 м2 экономится до 200 кВт∙ч в год.
Лампы накаливания являются традиционными и широко применяемыми в Беларуси источниками света. В лампах накаливания источником света является тепловое излучение нагретой нити. Тепловое излучение это электромагнитное излучение вещества, причиной которого является возбуждение его атомов и молекул вследствие их теплового движения. Чем выше температура тела, тем шире диапазон длин волн и его смещение в сторону более коротких волн. При определенной температуре тела его излучение приходится на видимый диапазон длин волн (от 390 до 770 нм).
Важнейшими характеристиками ламп являются:
Световая отдача является экономической характеристикой работы лампы. Для ламп накаливания световая отдача составляет 7—19 лм/Вт.
Весьма ощутимую экономию электроэнергии при использовании ламп накаливания могут дать следующие мероприятия:
Более совершенными источниками света являются люминесцентные лампы. Это разновидность газоразрядного источника света, в котором используется способность некоторых веществ испускать свет под действием ультрафиолетового излучения электрического разряда.
Люминесцентное излучение исходит из центров люминесценции – атомов, молекул или ионов, приходящих в возбужденное состояние под воздействием внешних причин, а затем, при переходе возбужденного центра на более низкий энергетический уровень, испускающих квант люминесцентного излучения. Вещества, в которых происходит люминесценция, называются люминофорами.
Люминесцентные лампы изготовляются в виде стеклянных трубок с двумя металлическими цоколями, наполненных парами ртути под низким давлением. Такие лампы имеет по сравнению с лампой накаливания световую отдачу выше в 4-5 раз и в 5-8 раз больший срок службы. Например, светоотдача люминесцентной лампы 20 Вт равна светоотдаче лампы накаливания 150 Вт. Реальный путь к созданию необходимого уровня освещенность при значительной экономии электроэнергии - использование люминесцентного освещения.
Приготовление пищи. Самыми энергоёмкими потребителями в домах являются электроплиты. Годовое потребление электроэнергии ими составляет 1200-1500 кВт-ч. Как же рационально пользоваться электроплитами?
Технология приготовления пищи требует включения конфорки на полную мощность только на время, необходимое для закипания. Варка пищи может происходить при меньших мощностях. То, что должно вариться долго, следует варить на маленькой конфорке, нагретой до минимума, и обязательно при закрытой крышке. Варка пищи на малых мощностях значительно сокращает расход электроэнергии, поэтому конфорки электроплит снабжают переключателями мощности. Применение 7-ступенчатых переключателей снижает затраты энергии на 5-12%, а бесступенчатых - ещё на 5-10%.
Несвоевременная смена неисправных конфорок приводит к перерасходу электроэнергии на 3-5%. При расслоении, растрескивании или вспучивании металла конфорки нарушается плотный контакт её поверхности с дном установленной посуды.
Для снижения расхода электроэнергии на приготовление пищи надо применять специальную посуду с утолщённым обточенным дном диаметром, равным или несколько большим диаметра конфорки. Для сплошных чугунных конфорок наилучшая теплопередача достигается при тесном контакте между поверхностью конфорки и дном посуды. Из-за деформации дна, наличия на нём технологических выштамповок контакт конфорки с посудой осуществляется только на части поверхности. Это удлиняет время нагрева пищи, увеличивает потребление электроэнергии и вызывает, вследствие неравномерного теплосъема, внутренние напряжения, в результате которых могут образоваться трещины и искривления на поверхности конфорки.
Пользование посудой с искривлённым дном может привести к перерасходу электроэнергии до 40-60 %. Для того чтобы посуда плотно прилегала к конфорке, следует использовать тяжелые кастрюли с утолщенным дном и плотно прилегающими крышками.
Особо следует остановиться на кипячении воды на электрической плите. Для рационального использования энергии необходимо налить воды ровно столько, сколько потребуется для данного случая. Совершенно неразумно наливать полный чайник, а впоследствии его подогревать. Одним из условий улучшения работы посуды и электрочайника является своевременное удаление накипи. Накипь обладает малой теплопроводностью, поэтому вода в посуде с накипью нагревается медленно. С точки зрения рационального расходования электрической энергии лучше кипятить воду в электрочайнике или с помощью электрокипятильника, чем греть на электроплите, поскольку КПД электрочайника и электрокипятильника составляет 90%.
Получают все большее распространение микроволновые печи. В них разогрев и приготовление продуктов происходят за счёт поглощения ими энергии электромагнитных волн. Причём продукт подогревается не с поверхности, а сразу по всей его массе. В этом заключается эффективность этих печей. При эксплуатации микроволновой печи необходимо помнить, что она боится недогрузки, когда излученная электромагнитная энергия поглощается не полностью. Поэтому в случае приготовления (подогрева) сухих продуктов, в них следует добавлять воду.
Электробытовые приборы. Холодильник является энергоемким прибором в связи с тем, что он постоянно включен в сеть. Компрессорный холодильник потребляет в год 250 - 500 кВт∙ч.
Холодильник следует ставить в самое прохладное место кухни, прихожей подальше от источников тепла. Чем ниже температура конденсатора (теплообменника), тем эффективнее он работает и реже включается. При снижении температуры теплообменника всего на 1оС, например, с 21 до 20 градусов, холодильник начинает расходовать электроэнергии на 6% меньше. Ледяная «шуба», нарастая на испарителе, изолирует его от внутреннего объема холодильника, заставляя включаться чаще и работать каждый раз больше. Для того, чтобы избежать этого явления следует регулярно его размораживать, не допуская образования наледи толщиной более 5 мм. Чтобы влага из продуктов не намерзала на испарители, их следует хранить в коробках, банках, плотно закрытых крышками, или завернутыми в фольгу.
В полностью заполненном холодильнике, благодаря большой теплоемкости находящихся в нем продуктов, сохраняется более ровная температура, и реже включается морозильный агрегат.
Из стиральных машин наиболее экономичными с точки зрения потребления электроэнергии считаются автоматические машины, включение и выключение которых производиться строго по программе. Они рассчитаны на единовременную загрузку определенной массы сухого белья. Перегружать машину не следует: ее электродвигатель будет перегружен, а белье плохо отстирается. И наоборот, не следует думать, что, загрузив бак машины лишь наполовину, можно добиться экономии энергии и повысить качество стирки. Половина мощности машины уйдет на то, чтобы вхолостую перегонять воду в баке, а белье чище все равно не станет.
14.3. Основные направления экономии тепловой энергии.
Отопление - самая крупная составляющая той части семейного бюджета, которая идет на оплату энергоносителей. Эффективное использование тепловой энергии, в конце концов, не является сложным делом. В большинстве случаев это решения двух вопросов: изменение привычек и устранение потерь тепла с помощью улучшения теплоизоляции.
Основная составляющая тепловых потерь в зданиях, которые строились до недавнего времени - это затраты тепла на подогрев инфильтрующегося через стены, оконные проемы, а также поступающего через системы вентиляции в здания воздуха.
При нормальном режиме циркуляции полный воздухообмен в жилых помещениях должен происходить не дольше чем через каждые два часа. Поскольку системы вентиляции современных зданий выполнены без каких-либо схем рекуперации тепла воздуха покидающего помещение, то затраты тепла на подогрев приточного воздуха значительны и в сумме тепловых потерь могут достигать величины 60%. Одним из направлений энергосбережения здесь может быть отказ от традиционных схем и переход на локальную принудительную схему вентиляции с установкой соответствующих рекуперирующих и программирующих устройств, обеспечивающих необходимый воздушный режим в помещении. Со временем проветривать помещения домов зимой через форточки или окна может оказаться очень дорогим удовольствием.
Ощутимую экономию тепловой энергии в жилых помещениях могут дать следующие ниже приведенные мероприятия.
1. Зашторивание окон на ночь и использование жалюзи. В данном случае речь идет о коротких шторах, которые закрывают окна до подоконника, но не закрывают пространство вокруг радиаторной батареи. Как известно, через окно теряется большое количество тепла, поэтому, закрывая на ночь короткие шторы, мы частично предотвращаем потери тепла.
2. Освобождение пространства вокруг радиаторов. Слишком длинные шторы и мебель возле радиаторных батарей заметно уменьшают эффективность отопления, поэтому желательно, чтобы пространство возле радиаторов было свободным. Тепло от батарей должно беспрепятственно передаваться отапливаему помещению.
3. Поддержание постоянной температуры в квартире. Повышение температуры в помещении на один градус увеличивает на 6% затраты на тепловую энергию. Поэтому следует поддерживать температуру в жилых комнатах не выше 21°С, а в других помещениях - на более низком уровне. Необходимо устанавливать термометры во всех комнатах и следите за их показаниями.
4. Установка отражательных экранов за нагревательными приборами. Между радиаторной батареей и стеной располагается своеобразный экран из алюминиевой фольги или теплозащитный экран с алюминиевым покрытием. Наиболее экономичным является экран, обе стороны которого покрыты фольгой. Фольга отражает тепло, которое излучает радиатор, и направляет его назад в комнату. Данное мероприятие позволяет увеличить эффективность работы отопительного прибора на 20 – 30%.
5. Установка новых подоконников. Чем шире подоконник, тем меньше тепла выходит наружу через окно. Поэтому если вы делаете капитальный ремонт в вашей квартире, то подумайте о возможности замены подоконников.
6. Застекление лоджий и балконов. Сэкономить тепло в значительной мере можно за счет застекленной лоджии или балкона. С одной стороны, вы предотвращаете попадание холодного воздуха к вам в квартиру, а с другой - отток теплого воздуха наружу.
7. Установка новых окон. Сегодня на рынке имеется большой выбор так называемых стеклопакетов, то есть окон, стойких к любым погодным условиям. Они имеют высокую степень теплоизоляции и имеют более привлекательный вид, чем окна из древесины.
8. Изоляция стен, пола и потолка. Этот "глобальный" по своему характеру замысел удобнее всего реализовать во время капитального ремонта вашей квартиры. Сегодня на рынке строительных материалов имеется широкий выбор изоляционных материалов на любой вкус. Если вы сомневаетесь в собственной компетенции по этому вопросу, то лучше посоветоваться со специалистами, которые помогут вам подобрать то, что больше всего подходит именно для вашей квартиры.
9. Контроль за расходованием тепла. Это мероприятие можно реализовать только в том случае, если ваша квартира оборудована теплоизмерительными приборами – счетчиками тепла. Счетчики дадут возможность контролировать затраты тепла, частично регулировать потребление и фиксировать результаты экономного его использования. На отопление помещений расходуется четвертая часть топлива, которое потребляется в стране, из них 80% - в жилых домах. Несмотря на это, тепла постоянно и остро не хватает, а при этом потери его составляют больше 30%.
Расчеты проведенные специалистами показывают, что работники жилищно-коммунального хозяйства и жители без значительных капитальных затрат могут уменьшить потери тепла на 5-10%. Эти потери значительно возрастают, если окна и дверь негерметизированные, теплотрассы неизолированные, а ремонт котельного и вспомогательного оборудования проведенные некачественно и несвоевременно.
14.4. Экономия тепловой энергии при выборе оптимальной конструкции застекления оконных проемов.
До 35% тепла, которое поступает в помещение, теряется зимой через окна. Можно значительно уменьшить эти потери, устанавливая окна соответствующей конструкции. Окна должны иметь хорошие теплозащитные свойства, защищать от шума, иметь большую прочность и долговечность. Кроме того, они должны обеспечивать требуемую светопроницаемость и комфортное проветривание. Действующие в Республике Беларусь нормативы устанавливают величину коэффициента сопротивления теплопередаче окон не ниже 0,6 м2 ∙ оС/Вт.
По конструкции все окна состоят из светопропускаемых и непрозрачных частей. От конструктивных вариантов исполнения обоих частей зависят теплозащитные свойства окон.
Непрозрачная часть представляет собой раму, в которую монтируется светопропускаемая часть окна. Она придает окну прочность и долговечность, а также устойчивость к деформациям и различным воздействиям окружающей среды. Применяемые в настоящее время окна по конструкции непрозрачной части условно можно разделить на 3 группы: деревянные окна, окна из поливинилхлоридного профиля (ПВХ-профиля), окна из алюминиевого профиля.
Деревянные окна выпускаются в основном двух видов:
-оконные блоки с толщиной коробки 100-140 мм с тройным остеклением или стеклом и стеклопакетом отечественного производства. Сопротивление теплопередаче их может достигать 0,8 м2 ∙ °С/Вт;
-оконные блоки толщиной коробки менее 100 мм с однокамерным или двухкамерным стеклопакетом. Они имеют высокое качество изготовления, створки их могут открываться в разных плоскостях, а проветривание имеет различный режим. В основном они импортируются из Финляндии, Германии или Швеции. Сопротивление теплопередаче составляет 0,6 м2 ∙ °С/Вт.
Окна из ПВХ-профиля с различными видами стекол и стеклопакетов находят широкое распространение, как в жилых помещениях, так и в административных зданиях. В конструкции ПВХ профиля имеется несколько воздушных специальных зазоров, так называемых камер. Изготавливаются как трехкамерные ПВХ-профили, так и пятикамерные ПВХ-профили (рисунок 14.1). Наибольшее распространение получили трехкамерные ПВХ-профили. Сопротивление теплопередаче по непрозрачной части окон с таким профилем составляет 0,7-0,75 м2 ∙ °С/Вт.
а) б) в)
Рисунок 14.1 Варианты исполнения ПВХ-профилей:
а) - трехкамерные ПВХ-профиль; б) - пятикамерные ПВХ-профиль; в) - пятикамерные ПВХ-профиль с повышенными теплозащитными свойствами.
Окна из алюминиевого профиля также находят все большее применение. В основном это трехкамерный алюминиевый профиль с термопрокладками. Такие оконные блоки имеют достаточно низкое сопротивление теплопередаче - 0,4 ─ 0,45 м ∙ °С/Вт, вследствие чего в холодное время года возникает конденсация влаги на внутренних поверхностях профиля. Преимуществами окон из алюминиевого профиля являются:
- практически неограниченная долговечность;
- высокая прочность и устойчивость к деформации и другим воздействиям окружающей среды;
В качестве заполнения светопропускаемой части окон используют стеклопакеты и стекла различной толщины. Для одного обычного стекла коэффициента сопротивления теплопередаче составляет примерно 0,17 м2 ∙ °С/Вт, а для стеклопакета из двух обычных стекол - 0,35-0,4 м2 ∙ °С/Вт. Трехстекольное окно с учетом материала, из которого оно изготовлено, обеспечивает нормативный коэффициент сопротивления теплопередаче. На рисунке 14.2 изображены варианты исполнения стеклопакетов.
Рисунок 14.2. Варианты исполнения стеклопакетов.
Стеклопакет представляет собой соединенные на определенном расстоянии друг от друга 2 или 3 стекла. В качестве материала, обеспечивающего требуемое между стеклами расстояние, применяется алюминиевый перфорированный профиль коробчатого сечения (средник), внутрь которого засыпается зернистый осушитель воздуха — силикогель. Профиль крепится к стеклам с помощью бутиловой массы (внутренний шов), а по торцам образованного стеклопакета укладывается прочный наружный шов.
Значительный эффект в теплосбережении достигается если в состав стеклопакета вводится одно из стекол с селективным покрытием, препятствующим уходу тепловой энергии из помещения и одновременно пропускающим снаружи солнечное тепловое излучение. Такие стекла получили название "энергосберегающих" и по технологии изготовления их разделяют на:
За счет применения в стеклопакете такого стекла, а также введения в межстекольное пространство инертного газа (аргона, криптона или ксенона), можно добиться величины коэффициента сопротивления теплопередаче больше единицы [4]. Один из вариантов исполнения современного окна с двухкамерным стеклопакетом и пятикамерным ПВХ-профилем приведен на рисунке. 14.3.
Рисунок 14.3 Стеклопакет из пятикамерного ПВХ-профиля и двухкамерного стеклопакета.
Вопросы для самоконтроля по теме 14.
15. МИРОВОЙ ОПЫТ В ОБЛАСТИ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ
15.1. Основные тенденции в мировом энергоснабжении.
Состояние экономики любого государства, а также и жизненный уровень его населения в основном определяются наличием природных запасов топливно-энергетических ресурсов и эффективностью их использования. Для таких государств, как Республика Беларусь, экономика которых базируется на импорте энергоресурсов, именно эффективность их использования является одним из важнейших факторов производства конкурентоспособной продукции.
В промышленно развитых странах в отличие от прежней их ориентации на все увеличивающееся потребление топливно-энергетических ресурсов, которое преобладало в 60 – 70 годы прошлого столетия, высшим приоритетом в энергопотребляющей стратегии в последние годы становится повышение эффективности использования энергии у потребителя, т.е. энергосбережение.
Особая роль энергоресурсов в жизнедеятельности общества и возможности быстрого перестроения на эффективное энергопотребление были хорошо продемонстрирована во время нефтяного кризиса 1973-1974 годов. И именно поэтому 70-е - начало 80-х годов прошлого столетия явили подлинную революцию в подходах к эффективному энергопотреблению и энергосбережению в индустриальных странах, сумевших наращивать валовой национальный продукт, практически не увеличивая потребление энергоресурсов. Для этого их экономики подверглись коренной перестройке одновременно в структурном, технологическом, научном и техническом отношениях.
Красноречивой иллюстрацией к сказанному может служить опыт США, ставший в какой-то степени уже классическим. Меры, принятые в этой стране после упомянутого нефтяного кризиса, позволили с 1973 по 1987 год увеличить валовой национальный продукт с 2700 млрд. долларов до 3800 млрд. (т.е. почти на 40 %), при росте потребления энергии всего лишь на 3,2 %. При этом условная экономия энергии (в денежном эквиваленте) по сравнению с 1973 годом составила примерно 150 млрд. долларов в год, т.е. величину, сопоставимую с дефицитом федерального бюджета. А если бы СЩА и дальше в энергосбережении были столь же настойчивы, как их конкуренты в Европе и Японии, то легко достигли бы экономии в 200 млрд. долларов в год. То есть к концу XX столетия суммарную экономию можно было бы довести до нескольких триллионов долларов.
В развитых капиталистических странах Европы при росте валового национального продукта (ВНП) на 13 % потребление энергии в 1985 году оказалось даже на 6 % ниже, чем в 1979-м. В Японии, ВНП которой в 1980-1985 годах повышался в среднем на 4,6 % в год, энергопотребление не росло вовсе.
Как известно, есть два подхода к энергосбережению, хотя, конечно, на практике они не существуют в чистом виде. Первый – рыночный, сторонники которого полагают, что жесткая конкуренция на рынке сама по себе вынудит производителя заниматься энергосбережением. Второй – государственный, когда главным инструментом является государственное нормирование потребления топливно-энергетических ресурсов, основанное на грамотном энергоаудите. Примером действенности второго подхода, т.е. государственного регулирования, является Япония, которая давно стала мировым лидером в области энергоэффективности.1
В новых индустриальных странах Юго-Восточной Азии (Южная Корея, Сингапур и Тайвань) значительная часть энергосберегающих мероприятий финансируется самим государством, которое в основном само и устанавливает энергетическое оборудование, на предприятиях непромышленной сферы. Оно выделяет владельцам жилых домов целевые беспроцентные ссуды или субсидии на перестройку зданий и приобретение материалов, позволяющих снизить энергопотребление в соответствии с требованиями существующих стандартов по энергосбережению.
В некоторых европейских странах (Великобритания, США, Италия) в последние 10-15 лет предприняты шаги по регулируемой законами демонополизации деятельности электроэнергетических компаний путем постепенного привлечения на рынок производства электроэнергии новых фирм производителей электроэнергии. Появившиеся рынки услуг по реализации энергосберегающих мероприятий в регионе вынуждает энергосберегающие компании заниматься вопросами энергосбережения у потребителей. Ряд компаний в этих странах идут на поддержку энергосбережения у промышленного производителя, так как это ведет к экономическому оздоровлению обслуживающего региона, росту производства и соответствующему увеличению потребление электроэнергии.
Энергетические обследования (энергоаудит) на промышленных предприятиях инспекторы энергоснабжающих компаний этих стран проводят либо самостоятельно, либо обращаются к услугам компетентных экспертов НИИ электроэнергетики (EPRI), университетов, институтов и консалтинговых фирм. Энергетические обследования для коммерческого и бытового секторов экономики энергокомпании проводят самостоятельно. [3]
В большинстве промышленно развитых стран мира (США, Германия, Япония, Франция, Испания, Англия и др.) существуют национальные программы развития нетрадиционной энергетики, предусматривающие в течение 5-10 предстоящих лет значительное расширение использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии.
______________________________
1 Ганжа В. Первый шаг эффективного энергетического менеджмента – энергоаудит//Экономика Беларуси. – 2005. №3. – С. 16-19.
Наибольший интерес и распространение имеют установки, использующие солнечную энергию, энергию ветра и биомассы.
15.2. Энергосбережение в России.
В Российской Федерации принят федеральный закон "Об энергосбережении". Настоящий федеральный закон регулирует отношения, возникающие в процессе деятельности в области энергосбережения, c целью создания экономических и организационных условий для эффективного использования энергетических ресурсов.
Законодательство Российской Федерации об энергосбережении состоит из Федерального закона и принимаемых в соответствии с ним других федеральных законов, и иных нормативных правовых актов Российской Федерации, а также законов и иных нормативных правовых актов субъектов Российской Федерации по вопросам энергосбережения, принимаемых в соответствии с договорами.
Объектом государственного регулирования в области энергосбережения являются отношения, возникающие в процессе деятельности, направленной на: [3]
Энергосберегающая политика государства основана на следующих принципах: [3]
При добыче, производстве, переработке, транспортировке, хранении и потреблении энергетических ресурсов показатели их эффективного использования, а также показатели расхода энергии на обогрев, вентиляцию, горячее водоснабжение и освещение зданий, иные показатели энергопотребления производственных процессов в установленном порядке включатся в соответствующую нормативно-техническую документацию.
Энергопотребляющая продукция любого назначения, а также энергетические ресурсы подлежат обязательной сертификации на соответствующие показатели энергоэффективности. Обязательная сертификация осуществляется в порядке, установленном законодательством Российской Федерации.
Соответствие производимого бытового оборудования требованиям, установленным государственными стандартами в части показателей энергопотребления, подтверждается путем обязательного маркирования указанного оборудования.
Энергосберегающая политика государства осуществляется на основе реализации федеральных и межрегиональных программ в области энергосбережения путем: [3]
В целях стимулирования эффективного использования энергетических ресурсов в порядке, определяемом правительством Российской Федерации, осуществляется установление сезонных цен на природный газ и сезонных тарифов на электрическую и тепловую энергию, а также внутрисуточных дифференцированных тарифов на электрическую энергию.
15.3. Опыт энергосберегающей политики США
Серьезно заниматься энергосбережением в США стали после первого нефтяного кризиса 1973 – 74 годов. Успехи, которые были достигнуты США в период с 1973 по 1987 год, приведены в разделе 15.1. За последний период времени с 1987 по 1995 годы были осуществлены большие достижения в области энергосбережения и эффективного использования энергетических ресурсов, в частности, была повышена в 3 – 7 раз эффективность работы холодильного и морозильного оборудования.
Другим примером разумного подхода к энергосбережению явился массовый переход к использованию люминесцентных светильников вместо ламп накаливания для освещения помещений. Это мероприятие позволило США в 1995 году, после установки около 200 млн. люминесцентных ламп получить экономию электрической энергии, эквивалентную увеличению генерирующих мощностей электростанций США приблизительно на 10 тыс. МВт.
В конце 90-х гг. в США на освещение в среднем расходовалось 500 млрд. кВт∙ч электроэнергии или 20% общего ее производства в стране. При этом 40 % энергии потреблялось лампами накапливания, 40% - люминесцентными лампами и 20 % - газоразрядными лампами большой мощности. Технические усовершенствования люминесцентных ламп, а также замена ламп накаливания компактными флуоресцентными светильниками, являющимися разновидностью люминесцентных ламп, обеспечили снижение затрат электроэнергии на освещение на 40 %. Основными источниками света во флуоресцентных лампах являются твердотельные высокочастотные балансные резисторы, которые в усовершенствованных вариантах выделяя меньше тепла, позволяют регулировать яркость свечения лампы в широком диапазоне. Такие светильники используют в автоматических системах управления светом, позволяющих гибко регулировать мощность светового потока с учетом естественной освещенности, а также присутствия людей на рабочих местах. Это позволило обеспечить экономию электрической энергии на освещение в пределах от 25 до 70%, при этом дополнительные удельные затраты не превысили 0,02 долл./кВт∙ч.[3]
Максимальные дневные нагрузки в электросетях в летний период в США в 3 – 5 раз выше ночных. При этом треть этих нагрузок связана с работой системы кондиционирования воздуха. Для выравнивания суточного графика нагрузок электросети был введен в обращение дифференцированный по времени суток тариф. В соответствии с ним, цена за потребленную в дневное время в часы пик электроэнергию была повышена в несколько раз по сравнению с ее стоимостью в ночное время. Сложившаяся система тарифов включает дифференциацию тарифов, размеры которых возрастают при увеличении электропотребления. Пониженные ставки тарифов устанавливаются для жильцов зданий, выполняющих определенные мероприятия по энергосбережению. Так, например, некоторые коммунальные предприятия устанавливают для покупателей специальные энергосберегающие тарифы в тех случаях, когда они приобретают новые дома с хорошей теплоизоляцией и эффективными системами отопления. В этом случае ставка тарифа снижается на 12-14 % . Практикуется система, при которой для потребителей электроэнергии, обязующихся поддерживать ее потребление на уровне ниже среднестатистического, тарифы по оплате снижаются. Эти мероприятия обеспечили снижение пикового потребления электроэнергии приблизительно на 1 – 1,5 кВт∙ч на одного жителя дома.
До 2000 года многотарифные электронные счетчики электрической энергии имели сравнительно высокую цену и поэтому массовое их использование было ограничено. Их в основном использовали крупные потребители электроэнергии, хотя на них приходится всего лишь третья часть величины пиковых нагрузок в электросетях. На сегодняшний день разработаны и получают все большее распространение многофункциональные многотарифные электронные счетчики на базе микропроцессорной техники. Этот тип электросчетчиков позволит распространить систему дифференцированных тарифов на всех потребителей электроэнергии.
Список широко применяемых в США новых методов энергосбережения можно дополнить успехами в строительной индустрии, связанное с широким применением новых энергоэффективных строительных материалов, повсеместным внедрением термостатов и теплового мониторинга зданий во избежание потерь тепла, внедрение энергосберегающих технологий в металлургии, химической и целлюлозно-бумажной промышленности. [3]
Одним из перспективных направлений является оборудование зданий тепловыми аккумуляторами. Так, в Стенфордском университете вместо установки дополнительных кондиционеров стоимостью 1,5 млн. долларов был построен тепловой аккумулятор в виде бака с холодной водой для существующей системы кондиционирования воздуха. Охлаждение воды в баке производится в ночное время, когда тарифы за потребленную электроэнергию значительно ниже дневных. Эта система позволила уменьшить пиковые нагрузки в сетях на 3,5 МВт и обеспечила экономию потребления электроэнергии на сумму в 200 тыс. долларов в год. [3]
15.4. Японский опыт энергосбережения.
Нефтяной кризис 1973 г., больно ударив по Японии, остро поставил вопрос о необходимости сбережения энергии. После 1973г. энергосбережение стало одним из основных направлений энергетической политики японского государства. В результате принятых мер по энергосбережению энергоемкость валового национального продукта удалость снизить на 35%. Однако за последующие семь лет энергопотребление постепенно увеличивалось в среднем на 3% в год. Это обстоятельство вынудило японское правительство в 1993г. пересмотреть "Закон об энергосбережении" в направлении ужесточения некоторых его положений. О том, насколько эффективны усилия в этом направлении, можно судить на примере производства стали, поглощающего 12% всей вырабатываемой в стране энергии.
Правительство поставило перед сталеплавильными компаниями задачу добиться к 2010 г. сокращения потребляемой энергии на 10% от уровня 1990 г. Предполагалось потратить на это мероприятие более 22 млрд. долларов США. Японские инженеры разработали новые типы сталеплавильных печей; технологии по повторному использованию энергии, выделяемой в процессе производства кокса; применили турбины высокого давления, использующие в своей работе отработанные газы и т.д. В результате затраты энергии, необходимой для производства 1т стали, сократились в 1995г. на 20% по сравнению с 1973г. и на сегодняшний день в Японии — самый низкий нормативный показатель использования энергии в мировой сталеплавильной промышленности.
Определенных успехов в области энергосбережения добились и электронные компании. Например, SONY сумела в последнее время разработать новые варианты теле- и радиоаппаратуры, обеспечивающей сокращение потребления электроэнергии почти наполовину по сравнению с моделями выпуска 90 годов.
В персональных компьютерах все чаще используются экономные жидкокристаллитеские дисплеи. В электротехнической промышленности все шире находят применение светодиоды, наполовину сокращающие потребление электроэнергии в лампах.
Прилагаются усилия по снижению энергоемкости новых жилых домов. Принятые в 1980 г. нормативы энергосбережения для жилых и общественных зданий предусматривали сокращение на 40% потребления энергии на отопление и кондиционирования воздуха за счет изменений в конструкции зданий, которые позволяют лучше проветривать помещения в жаркий период и сохранять тепло в холодное время. А в 1997 г. было принято решение ужесточить нормативы энергосбережения еще на 20%. Строительные компании, соблюдающие эти нормы, стимулируются более выгодными условиями кредитования.
Тем не менее, не все в деле энергосбережения развивается гладко. Остаются две важные сферы, где расходы энергии продолжают увеличиваться. Это транспорт и бытовой сектор (включая использование автомашин). На транспорте потребление энергии составило 250% от уровня 1973 г., а в бытовом секторе удвоилось.
Поэтому сегодня в Японии уделяется большое внимание обучению граждан способам сбережения энергии. Например, совет потребительских организаций г.Осаки отобрал группу из 200 семей, которым были предложены 6 способов сбережения энергии. Среди этих способов энергосбережения был и отказ от пультов дистанционного управления электронной аппаратурой (аппаратура, находящаяся в положении «stand-by» продолжает потреблять электричество, хотя и в меньших масштабах), а также ежедневные добровольные выключения кондиционеров на 1 час в августе — месяце, на который приходится пик потребления электричества. Подсчеты показали, что в ходе эксперимента экономия составила 14,2% от обычно потребляемой электроэнергии.
С 1973г., одновременно с разработкой мер по энергосбережению, в Японии начались активные работы по развитию гелиоэнергетики. В тот период 1 ватт выработанной солнечной батареей электроэнергии обходился в 30 тыс. иен. К 2000г. этот показатель удалось снизить до 140 иен. Такой уровень себестоимости делает целесообразным использование солнечных батарей в быту. По данным на конец 1997г. солнечные батареи были установлены на 8 тыс. жилых домов, причем правительство оплачивало треть стоимости установки батарей. К 2010 г. предполагается установить солнечные батареи на 1 млн. жилых домов.
Средняя площадь крыши типичного японского дома составляет 120 м2. Если половину этой площади покрыть солнечными батареями, то можно получить 6000 кВт∙ч энергии в год в каждом доме даже притом, что батареи имеют КПД только 10%. В пересчете на нефтепродукты, это означает экономию 0,56т нефти.
Министерство экономики, торговли и промышленности Японии намерено расширить строительство атомных электростанций. Предполагается ввести в строй к 2010 году 10-13 энергетических ядерных реакторов.
Корпорации «Хитачи», «Тошиба», и «Мицубиси» работают над проектами новых ядерных реакторов, поскольку, как считается, заказы на них возрастут к 2030 году, когда ныне действующие на АЭС реакторы отработают свой ресурс и один за другим будут выводиться из эксплуатации. При этом, по мнению экспертов, энергетические компании будут отдавать предпочтение ядерным реакторам малой и средней мощности, от 0,3 до 0,7 МВт, в то время как действующие и находящиеся в строительстве в стране ядерные реакторы имеют мощности от 1,1 МВт до 1,4 МВт. Считается, что реакторы малой и средней мощности с экономической точки зрения позволят снизить себестоимость электроэнергии и потери при передаче, поскольку ее выработку можно будет приблизить к потребителям.
До 2010 года доля ядерной энергии в энергетическом балансе страны будет расти наиболее быстро при некотором росте доли газа и новых видов энергоресурсов на фоне заметного снижения доли нефти и угля.
15.5. Энергосбережение в Европейских странах.
Повышение эффективности использования энергии в Дании
Нефтяной кризис 1973 г. коснулся и всех европейских стран. Основные законодательные инициативы в Дании в сфере энергосбережения и были вызваны этим энергетическим кризисом. В 1978г. появился первый долгосрочный энергетический план Дании, а с 1979г. было введено планирование отопления и было принято решение о субсидировании энергосбережения. Дания одной из первых приняла закон об ограничении выбросов парникового газа (С02). В 1990г. в стране был принят план развития энергетики до 2005г. – "Энергия 2000". В этом плане предусматривалось: ежегодное повышение ВВП на 2% при снижении энергопотребления на 15%; рост потребления газа на 170% при сокращении объемов потребления угля на 45% и мазута на 40%; снижение выбросов CO2 на 20%, SO2 - на 60%, NOX - на 50%. Эти цели предполагается достичь без дополнительных затрат, а необходимые инвестиции компенсировать абсолютным снижением объемов потребления топлива, экономией затрат на эксплуатацию и обслуживание энергоустановок.
За 1973-1993 гг. при росте валового внутреннего продукта (ВВП) в 1,8 раза потребление всей энергии в Дании уменьшилось на 5%, а потребление электроэнергии возросло всего на 60%, что говорит о снижении энергоемкости ВВП в 2 раза и снижении электроемкости ВВП на 12%.
Снижение энергоемкости ВВП было достигнуто за счет четырех основных факторов:
Отличительной особенностью датской электроэнергетики является специфическая форма собственности и структура энергокомпаний. Владельцами энергокомпаний являются потребители, а сами энергокомпании бесприбыльны. Каждый потребитель с момента подключения к сети становится акционером энергокомпании и имеет право избирать своих представителей в ее Генеральное собрание, которое в свою очередь избирает Правление.
Если компания получает прибыль (а это возможно, например, при падении цен на топливо), то потребитель получает дивиденды в форме снижения цены на энергию на следующий год.[3]
Расширение производства электроэнергии производиться путем преобразования существующих котельных в мини-ТЭЦ за счет установки на них паровых турбин с электрогенераторами, или путем "надстройки" на них газовых турбин. В этом случае коэффициент использования топлива на таких мини-ТЭЦ в среднем повышается до 80%, а на ТЭЦ, где используются тепловые насосы до 98%. Энергокомпании согласились получать у мини-ТЭЦ всю произведенную электроэнергию по цене, которая соответствует 85% закупочной цены крупного потребителя.
Стоимость электроэнергии для бытового потребления в Дании в 2,8 раза выше, чем для промышленности, и ее цена дифференцирована по времени суток.
В Дании имеется стройная система стимулирования энергосбережения и роста энергетической эффективности, основанная на налогообложении и субсидиях. Средний процент субсидий составляет 40% основных капиталовложений в новые сети и около 20% при реконструкции сетей, а субсидии для теплоизоляции зданий могут достигать 50%. Кроме того, различные субсидии могут сочетаться между собой. Местные власти несут непосредственную ответственность за планирование и выполнение энергетических проектов на местном уровне. [3]
В Дании, как и в ряде других стран Европы, действуют государственные консалтинговые организации, работающие в области энергетики и энергосбережения.
Основными организациями в этой сфере являются:
а) тепловая инспекция, которая проводит техническое обследование зданий на предмет соответствия энергетическим стандартам. Инспекция проводится в зданиях, построенных до 1979г. (до введения действующих ныне строительных норм). Обследование зданий производится по стандартной процедуре независимыми инспекторами. В результате владелец получает рекомендации по типовым мероприятиям, позволяющим привести здание и его оборудование в состояние, отвечающее требованиям по экономии энергии, введенным в 1989г. для новых зданий. Около 50 % домов в Дании прошли эту инспекцию;
б) инспекция котлов, работающих на мазуте, которая ежегодно проводит обследование всех котлов малой мощности. Обследование включает в себя измерение потерь тепла с дымовыми газами. Считается, что за 12 лет своего существования инспекция способствовала экономии 4% энергоносителей в масштабах всей Дании;
в) служба консультаций по системам теплопотребления, занимающаяся проверкой квалификации и консультированием эксплуатационного персонала теплопотребляющих систем большой мощности, работающих как на мазуте, так и на газе, а также систем централизованного теплоснабжения. В результате деятельности службы за 12 лет потребление нефти в Дании снизилось на 19% , газа – на 10% , расход топлива в системах теплоснабжения снизился на 2%. [3]
Эффективное использование тепловой энергии в Швеции.
Одним из интересных направлений по эффективному и рациональному использованию тепловой энергии в жилищно-коммунальном секторе является опыт Швеции по строительству домов нового поколения, так называемых "пассивных" домов из древесины. Идея строительства таких домов зародилась в Швеции еще в 1981 году. Такие дома, по внешнему виду мало чем отличающиеся от своих собратьев, потребляют незначительное количество энергии — в 10 раз меньше, чем обычные дома. «Пассивный» дом отапливается теплом, выделяемым при работе бытовых приборов и живущими в нем людьми. Горячее водоснабжение обеспечивается с помощью гелиоподогревателей и тепловых насосов. Потребление энергии в таком небольшом доме на одну семью составляет от 5 до 25 киловатт в год на один квадратный метр отапливаемой площади (5 – 25 кВт∙г/м2). Для сравнения, расход энергии в то же время и при тех же условиях в обычном доме составляет 60 – 80 кВт∙г/м2.
Такой эффект был достигнут лишь благодаря новым современным технологиям в теплоизоляции и специально разработанным современным системам отопления и вентиляции дома.
Согласно прогнозам специалистов из ЕС «пассивный» дом станет стандартом для всех стран уже в 2015 году. Только в Германии и Австрии сегодня возводится 10 тысяч таких зданий.
Технология «пассивного» дома предусматривает особую теплоизоляцию всех ограждающих поверхностей: стен, пола, потолка, чердака, подвала и фундамента, причем в несколько слоев. Это позволяет одновременно не давать возможности теплу покидать дом и не впускать внутрь помещений холод. В здании используются современные трехкамерные конструкции оконных проемов. Внутрь стеклопакетов закачивается инертный газ, имеющий низкую теплопроводность, внутренняя поверхность одного стекла имеет специальное селективное покрытие, а также применяется специальная конструкция примыкания оконных рам к стенам.
В «пассивных» домах используется также специальная система вентиляции: приточно-вытяжная с использованием теплообменных аппаратов. Это означает, что потоки воздуха, покидающего дом и поступающего в него движутся не по обычным вентиляционным каналам, а через воздуховод, снабженный теплообменником, в котором нагретый воздух непрерывно передает тепло холодному через разделяющую их стенки.
Конструкторы также добились дополнительной экономии тепла за счет использования автоматизированной системы управления всеми техническими устройствами в здании. Применение таких устройств позволяет экономить энергию различными способами: понижением температуры внутри помещения в случае отсутствия в нем людей; или в ночное время, а также автоматической регулировкой интенсивности отопления в зависимости от температуры воздуха снаружи здания.
Несмотря на то, что затраты на строительство энергоэффективных зданий в среднем на 10 процентов больше по сравнению с обычными, дополнительные вложения окупаются уже через 7 лет.1
Вопросы для самоконтроля по теме 15.
________________________________________________
1 Дергачева И. "Зеленая волна" шведского Вэкше// Республика. – 2008. – 4 ноября.
4. Практические (семинарские) занятия
|
№ п/п |
Темы практических занятий |
Цель занятия |
|
1 |
2 |
3 |
|
1. |
Приборы учета и контроля энергоресурсов, тепловой и электрической энергии |
Изучить устройство и работу приборов учета и контроля расхода, воды, тепловой и электрической энергии |
|
2. |
Традиционные способы получения и использования энергии |
Ознакомиться с традиционными методами получения энергии и изучить принципиальные схемы и работу тепло-вых станций, атомной и гидроэлектро-станций, а также ознакомиться с работой газотурбинной и парогазовой установками. |
|
3. |
Преобразование солнечной энергии в электрическую энергию |
Изучить принципы преобразования солнечной энергии в электрическую энергию и изучить устройство и работу солнечного элемента, модуля и батареи. |
|
4. |
Преобразования энергии ветра в электрическую энергию |
Изучить принцип преобразования энергии ветра в электрическую энергию и ознакомится с устройством и работой различных типов ветроколес. |
|
5. |
Определение потребности в тепловой энергии при эксплуатации зданий |
Определение годового расхода тепловой энергии на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение зданий |
|
6. |
Определение потребности в электрической энергии при эксплуатации зданий |
Ознакомиться с методикой определения расхода электрической энергии и опре-делить годовой расход электроэнергии электропотребляющим оборудованием. |
|
7. |
Определение эффективности использования средств, направ ляемых на реализацию энерго-сберегающих мероприятий |
Изучить критерии оценки эффектив-ности энергосберегающих мероприятий и провести расчет экономической эффективности их применения. |
|
8. |
Определение экономической эффективности применения тепловых насосов |
Определить срок окупаемости и доходности внедрения и применения тепловых насосов в системе утилизации теплоты сточных вод |
|
9. |
Расчет экономии электроэнер-гии в осветительных установ-ках помещений при проведе-нии энергетического аудита |
Ознакомится с энергоаудитом освети-тельных установок и возможностями экономии электроэнергии при проведе-нии различных энергосберегающих мероприятий |
5. УПРАВЛЯЕМАЯ САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА СТУДЕНТОВ ДНЕВНОЙ ФОРМЫ ОБУЧЕНИЯ
5.1. Методические рекомендации по выполнению работ
Управляемая самостоятельная работа состоит из двух разделов: по темам лекций и по темам практических занятий. Первый раздел включает четыре темы. Второй раздел включает две темы.
Перечень тем, выносимых на управляемую самостоятельную работу приведен в таблице 5.1.
Таблица 5.1 Перечень тем, выносимых на УСР
|
№ темы |
Наименование темы |
Объем в часах |
|
|
Лекций |
Практ. занятий |
||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
Тема 1 |
Введение |
1 |
|
|
Тема 4 |
Энергия и ее основные виды |
2 |
|
|
Тема 5 |
Традиционные способы получения энергии |
2 |
|
|
Тема 12 |
Энергетический баланс предприятия и основы нормирования расхода энергетических ресурсов |
2 |
|
|
Тема 13 |
Основные направления энергосбережения в промышленности, строительстве и АПК |
1 |
|
|
Тема 15 |
Мировой опыт в области энергосбережения |
2 |
|
|
Итого |
6 |
4 |
5.2. Содержание управляемой самостоятельной работы по темам лекций
Тема 1. Введение
Роль энергии в природе, обществе и на производстве. Распределение потребления энергии по некоторым странам в течение года. Классификация распределения и применения энергии по группам использования. Эффективность использования и потребления энергии в РБ. Сравнительные характеристики энергоемкости ВНП в мире и Беларуси.
Литература [3, с. 11-18]; [4, c. 11-14, 26-37]; [5, c. 6-11, 21-29].
Вопросы для самоконтроля
Индивидуальные задания
Варианты заданий и их содержание для каждого студента определяет преподаватель.
Рекомендуемая форма контроля знаний: устный опрос, контрольная работа, тестирование.
Тема 4. Энергия и ее основные виды
Понятие энергии. Классификация видов энергии. Физическая суть различных видов энергии (механическая, тепловая, электрическая, химическая, магнитная, электромагнитная, ядерная, гравитационная). Единицы измерения различных видов энергии и соотношения между ними.
Назначение и использование энергии. Общая характеристика современного энергетического производства. Понятие энергетики и энергосистемы. Составляющие компоненты энергосистемы. Ограничения по объему используемой энергии, накладываемые термодинамическим лимитом биосферы.
Литература [3, с. 8-11, 24-25]; [4, c. 38-47]; [5, c. 30-36].
Вопросы для самоконтроля
Индивидуальные задания
Варианты заданий и их содержание для каждого студента определяет преподаватель.
Рекомендуемая форма контроля знаний: устный опрос, контрольная работа, тестирование.
Тема 13. Основные направления энергосбережения в промышленности, строительстве и АПК
Системы энергоснабжения промышленных предприятий. Основные источники поступления энергии и энергетических ресурсов на предприятия. Экономические и финансовые механизмы энергосбережения в промышленности. Источники финансирования работ по энергосбережению.
Преимущества и выгоды, получаемые промышленными предприятиями от рационального расходования энергоресурсов. Проблемы внедрения энергоменеджмента и аудита на промышленных предприятиях. Опыт России по массовому внедрению энергоменеджмента в управленческие структуры промышленных предприятий.
Приоритетные направления работы Минпрома РБ по энергосбережению. Примеры успешной реализации этих направлений на крупнейших промышленных предприятиях РБ (МАЗ и МТЗ).
Причины неэффективного использования ТЭР в АПК РБ. Приоритетные направления повышения эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в АПК. Первоочередные мероприятия на ближайшую перспективу по энергосбережению. Примеры экономии электроэнергии, используемой для производственных помещений.
Литература [3, c. 140-149]; [4, c. 216-240]; [5, с. 158-164].
Вопросы для самоконтроля
Индивидуальные задания
Варианты заданий и их содержание для каждого студента определяет преподаватель.
Рекомендуемая форма контроля знаний: устный опрос, контрольная работа, тестирование.
Тема 15. Мировой опыт в области энергосбережения
Изменение приоритетов в индустриально развитых странах в области энергетики.
Опыт стран Юго-Восточной Азии в сфере управления энергосбережением. Национальные программы промышленно-развитых стран по значительному расширению использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии.
Законодательный опыт России в области энергосбережения. Объекты государственного регулирования в области энергосбережения. Принципы, на которых основывается энергосберегающая политика государства.
Опыт энергосберегающей политики в США. Успехи США в области энергосбережения за последние 20 лет. Опыт применения дифференцированных тарифов за оплату электроэнергии.
Энергосбережение в промышленности Японии. Регулирование энергосбережения в промышленном секторе, а также в зданиях и сооружениях. Опыт работы «кружков качества» по экономии энергии на предприятиях Японии.
Повышение эффективности использования энергии в промышленности Дании. Система стимулирования энергосбережения в Дании.
Литература [3, с. 180 – 196]; [4, c. 250-284]; [5, c. 197-222].
Вопросы для самоконтроля
Индивидуальные задания
Варианты заданий и их содержание для каждого студента определяет преподаватель.
Рекомендуемая форма контроля знаний: устный опрос, контрольная работа, тестирование.
5.3. Содержание управляемой самостоятельной работы по темам практических занятий
Тема 5. Традиционные способы получения энергии
Тепловые и атомные электрические станции (ТЭС и АЭС). Типовые схемы ТЭС и АЭС. Паротурбинные конденсационные электростанции (КЭС) и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) с комбинированной выработкой тепла и электрической энергии.
Электростанции с газотурбинными (ГТУ) и парогазовыми установками (ПГУ), мини ТЭЦ – как наиболее экономичные и перспективные способы получения энергии.
Принцип получения электрической энергии в гидроэлектростанциях. Гидроэлектростанции (ГЭС) и гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). Малая гидроэнергетика потенциал и возможности использования в Беларуси.
Литература [3, с. 25-28]; [4, c. 48-53]; [5, c. 12-18, 32-34]; [10, c. 48-58, 62-73, 107-126].
Вопросы для самоконтроля
Индивидуальные задания
Варианты заданий и их содержание для каждого студента определяет преподаватель.
Рекомендуемая форма контроля знаний: реферат, тестирование.
Тема 12. Приборы учета и контроля энергоресурсов, тепловой и электрической энергии
Принцип работы приборов, учитывающих расход электрической энергии (вольтметры, амперметры, ваттметры, счетчики расхода электрической энергии).
Принцип работы и устройство приборов для измерения температуры (термометры расширения, манометрические термометры, термопары, термометры сопротивления, пирометры).
Принцип работы и устройство приборов для измерения давления, расхода (тахометрические, постоянного перепада, переменного перепада, индукционные, ультразвуковые, массовые и др.).
Принцип работы и устройство приборов для измерения количества теплоты.
Литература [5, с. 64 – 72]; [8, с. 15-49]; [17, c. 34-39, 51-59, 73-76, 86-92, 108-115, 125-128]; [18, c. 315-318, 357-369].
Вопросы для самоконтроля
Индивидуальные задания
Варианты заданий и их содержание для каждого студента определяет преподаватель.
Рекомендуемая форма контроля знаний: реферат, тестирование.
6. ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К СДАЧЕ ЗАЧЕТА ТЕСТИРОВАНИЕМ
7. Рекомендуемая литература
Основная литература
1. Закон Республики Беларусь об энергосбережении. // Энергоэффективность. - 1998. - № 7.- С 2-5.
2. Экономия и бережливость – главные факторы экономической безопасности государства. Директива Президента Республики Беларусь от 14.06.2007г № 3. // Национальный реестр правовых актов Республики Беларусь, – 2007. - №1/8668.
3. Самойлов М.В. Основы энергосбережения: Учебное пособие. / М.В. Самойлов, В.В. Паневчик, А.Н. Ковалев. –Мн.: БГЭУ, 2002. –198с.
4. Основы энергосбережения: Учебное пособие/Б.И. Врублевский, С.Н. Лебедев и др.; Под ред. Б.И. Врублевского.- Гомель: ЧУП "ЦНТУ "Развитие", 2002. – 190с.
5. Свидерская О.В. Основы энергосбережения: пособие / О.В. Свидерская.- Мн.: Акад. упр. при Президенте Респ. Беларусь, 2006. -228с.
6. Свидерская О.В. Основы энергосбережения: Курс лекций.- Мн.: Академия управления при Президенте Республики Беларусь, 2003. -296с.
7. Андрижиевский А.А. Энергосбережение и энергетический менеджмент: учеб. пособ. – Мн.: Выш. шк. 2005 – 294с.
8. Паневчик, В.В. Основы энергосбережения: практикум –Мн.: БГЭУ, 2007. –195с.
9. Основы энергосбережения: Цикл лекций. / Под ред. Н.Г. Хутской. –Мн.: Тэхнологiя, 1999. -100 с.
Дополнительная литература
10. Поспелова Т.Г. Основы энергосбережения – Мн.: УП "Технопринт". 2000.
11. Твайдел Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии. –М., 1990.
12. Теплотехника / Под ред. А.П. Баскакова. -М.: Энергоатомиздат. 1991.
13. Харитонов В.В. и др. Вторичные теплоэнергетические ресурсы и охрана окружающей среды. –Мн.: 1988.
14. Непорожний П.С., Обрезков В.И. Введение в специальность: Гидроэлектроэнергетика: Учебное пособие для вузов. –М.: Энергоатомиздат, 1990.- 352с.
15. Энергосбережение в системах теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха /Под ред. Л.Д.Богуславского. М.: Стройиздат, 1990. – 624с.
16. О Республиканской программе энергосбережения на 2006 – 2010 годы. Постановление Совета Министров Республики Беларусь от 2 февраля 2006г № 137// Национальный реестр правовых актов Республики Беларусь, – 2006. - №5/17219.
17. Марочкин В.К. и др. Использование вторичных топливно-энергетических ресурсов в сельском хозяйстве Мн.: Ураджай, 1989г
18. Жарковский Б.И. Приборы автоматического контроля и регулирования (устройство и ремонт): Учеб. для ПТУ. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1989. – 336 с.
19. Попов В.С. Электротехнические измерения и приборы, изд. 7-е, переработанное, М. – Л., Госэнергоиздат, 1983, 544 с.
20. Экономика энергетики СССР: Учеб./А.Н. Шишов, Н.Г. Бухаринов, В.А. Таратин, Г.В. Шнеерова; Под ред. А.Н. Шишова. – 2-е изд., переб. и доп. – М.: Высш. шк., 1986. – 352 с.
21. Основы энергосбережения: Учеб-метод. комплекс / В.М. Беляев, В.В. Ивашин. – Мн.: Изд-во МИУ, 2004. – 124 с.
S'тэ
А
S'ээ
Внутренняя система
УУ
ТУ
ТУ
НС
ГТП
ТПУ
3
2
1
Конденсат
Горячая вода
олодная
вода
Отработанный
пар
Рисунок 9.8. Схема трансформатора тепла
Тн
Тв
L
Q1
Q2
Газгольдер
Воз-
дух
Дрова
к потребителю
Теплооб-
менник
Жидкий
конденсат
Твердые
отходы
(уголь, зола)
Фильтр
Газоге-нера-тор
Котельная
Внешняя
система
Тепловая
энергия
Вода
Электро-
энергия
епловаяэнергия
Топливо
Генераторный газ
В
Sээ , р./кВт∙ч
Sтэ , р./ГДж
Р1
Р2
Q2
Q1
Компрессор
г
г
ж
ж
1
2
Конденсатор
Испаритель