история энергосбережения энергоэффективности

история энергосбережения энергоэффективности Энергоэффективность

Современная история энергосбережения

Современную историю энергосбережения можно разбить на 5 этапов: 1965 г. , 1973-1991 г. , 1991-2003 г. , 2003-2008 г. и 2009 г. — по настоящее время. Рассмотрим подробнее каждый из них.

Первый этап или предпосылки для зарождения современной истории энергосбережения

Если не принимать в расчет попыток ограничения потребления энергии после Второй мировой войны, то первый, хоть и несовершенный закон Великобритании, регламентирующий теплотехнические характеристики ограждающих конструкций зданий был принят в 1965 году. Примерно в это же время в СССР на съездах КПСС обсуждалось о необходимости снижения удельных энергозатрат на единицу продукции, однако дельных мер предпринято не было ни у нас, ни в других странах.

Второй этап современной истории энергосбережения

Старт второго этапа современной истории энергосбережения (1973-1991) связан с арабо-израильским конфликтом, известным как «Война Судного Дня», нефтяным эмбарго и резким ростом цен на нефть и газ.

После настоящей паники из-за роста цен на бензин, многокилометровых очередей на бензоколонках в Европе и США, неконтролируемого роста стоимости электрической и тепловой энергии, а в ряде случаев, с длительными перебоями их подачи, в большинстве развитых государств были приняты решения о следующем:

  • разработке специальных программ по экономии ресурсов и энергии;
  • выделении громадных бюджетных средств на проведение научно-исследовательских и конструкторских разработок в области использования нетрадиционных источников энергии;
  • снижении энергопотребления в различных отраслях промышленности;
  • разработке законодательных инициатив, обеспечивающих снижение потребления энергетических ресурсов, что стало самым главным (как выяснилось позже) на этом этапе. Новые законы были, конечно, несовершенны и в дальнейшем не раз корректировались.

история энергосбережения энергоэффективности

В то время ученые вели активные поиски альтернативных источников энергии, разрабатывали конструкции солнечных батарей, ветряных, приливных и геотермальных электростанций, тепловых насосов для использования энергии земли, экспериментировали с биотопливом; активизировались работы по атомной энергетике, разрабатывались различные технологии энергосбережения. К сожалению, большинство работ, начатых в те годы, со временем показали недостаточную эффективность и сверхдолгую окупаемость из-за несовершенных материалов и технологий, имевшихся тогда в распоряжении. Со временем цены на нефть очень быстро стали снижаться и, в конце концов, крупные правительственные дотации на разработку альтернативных и нетрадиционных энергетических ресурсов к середине 80-х годов прошлого века стали сильно сокращаться.

Однако, нефтяной кризис 1973 г. заставил пересмотреть дальнейшие приоритеты развития энергетики и её несовершенства, связанные с использованием углеводородного топлива, и определил наиболее перспективные направления дальнейшей работы. Некоторые исследования продолжились и после прекращения государственной поддержки — частный бизнес понял дальнесрочную перспективность некоторых обнаруженных в те годы подходов и продолжил финансирование многих программ.

На основе всех исследований была разработана целостная идеология экономии энергии. Практика показала со всей очевидностью, что для успешного решения проблем энергосбережения необходим комплексный подход к решению этой задачи; улучшение какого-то одного, отдельно взятого элемента не позволит кардинально снизить энергопотребление, а порой даже может привести и к дискредитации самой идеи энергосбережения. Через десятилетия это подтвердилось на примере массовой кампании по внедрению в РФ энергосберегающих источников света. Да, они без сомнения лучше, эффективнее, чем обычные лампы накаливания. Но они пока значительно дороже, есть трудности с их утилизацией. Кроме того, никто пока не посчитал, какую долю вносили старые лампы в энергобаланс зданий в зимний период.

Важным событием стало и создание крупных исследовательских центров в Европе и США, а также очень динамичных и мобильных команд соответствующих специалистов. В составе знаменитой лаборатории «Lawrence Berkeley National» (LBNL) был организован отдел по энергосбережению в строительстве, основанный Артуром Розенфельдом, который впоследствии будет удостоен Международной премии «Глобальная энергия», являющейся аналогом Нобелевской премией в области энергетики.

LBNL и некоторые специалисты Европы были причастны к самому прорывному достижению 70-80-х годов XX века в оконной отрасли — разработке магнетронного нанесения теплоотражающих покрытий на большеформатные листовые стекла, которые станут неотъемлемым элементом энергосберегающих светопрозрачных конструкций.

За 80-е годы был достигнут значительный прогресс в энергосберегающих технологиях. В этот период стали широко использоваться тепловые насосы, а ветровые генераторы стали совершенно обыденными устройствами в Европе, Японии и США. Появились также современные и очень конкурентоспособные солнечные элементы, специалисты повсеместно взялись за строительство энергоэффективных зданий («пассивных» домов и домов с нулевым потреблением энергии), впервые массово начали заниматься санацией зданий старой постройки для доведения их до современных требований по энергосбережению.

Также в качестве одного из энергосберегающих мероприятий в зданиях, которое в дальнейшем будет применяться во многих странах, стоит упомянуть инициативу правительств Скандинавских стран, заменявших у граждан за счёт государства старые неэффективные окна на стеклопакеты.

Третий этап современной истории энергосбережения

После начала знаменитой операции США против Ирака «Буря в пустыне» в 1991 году практически стартовал и новый энергетический кризис и начался третий этап истории энергосбережения. Стоимость нефти на некоторое время опять резко выросла и вновь возникла потребность в поисках новых способов экономии энергии.

Практически одновременно с возникновением нового энергетического кризиса в США появился второй в истории комплексный документ «Energy Act 1992″, определивший основные проблемы в энергосбережении и направления их решения. Этот объемный документ разрабатывался ведущими американскими специалистами и Министерством энергетики США еще с середины 80-х годов XX века. «Energy Act 1992″ стал определяющим для развития новых технологий в области энергосбережения и использования альтернативных и нетрадиционных источников энергии более чем на 10 лет. Здесь следует отметить следующие моменты:

  • конгрессом США были выделены на обеспечение энергосбережения, значительное снижение энергопотребления несколько миллиардов долларов;
  • впервые был сделан упор на создание действенной системы субсидий и льгот для потребителей, выполняющих требования по энергосбережению, на законодательном уровне;
  • была запущена программа перспективных стандартов и других нормативов, направленных на экономию энергии во всех отраслях, включая, строительство и производство строительных материалов, основанная на стандартах производительности, ориентированных на экономию энергии;
  • были выделены очень большие средства на публичное продвижение программы энергосбережения и разъяснение ее целей потребителям;
  • были определены первоочередные цели, обеспечение которых было подготовлено в 80-е годы, и внедрение их могло бы быть достаточно быстрым. Среди них были в частности:
  • замена традиционных ламп накаливания на энергосберегающие;
  • замена традиционных окон на светопрозрачные конструкции со стеклопакетами с теплоотражающими стеклами;
  • внедрение новых типов холодильников с эффективными агрегатами;
  • было признано необходимым повсеместное внедрение маркировки энергосберегающей продукции, указывающей потребителю ее реальные характеристики и ожидаемый уровень экономии энергии;
  • был дан старт созданию ряда профессиональных государственных объединений, разрабатывающих новые методы оценки материалов и конструкций, одна из которых — «Совет по оценке светопрозрачных конструкций» (National Fenestration Rating Council);
  • были обозначены цели по разработке и строительству (с дальнейшим полномасштабным мониторингом результатов) пилотных проектов энергоэффективных зданий различного назначения в разных климатических регионах страны;
  • были выделены средства на создание компьютерных методов оценки характеристик и эффективности различных конструкций.

В то время в Германии возникла и другая проблема, требующая быстрого решения. При объединении Германии в структуру жилищно-коммунального комплекса страны влилось множество зданий в восточной части страны, которые были построены по советским проектам («хрущевки»). Проведенный в начале 90-х годов комплексный мониторинг показал, что средний расход энергии на отопление, горячее водоснабжение, освещение и другие бытовые нужды в старых зданиях составлял около 280 кВт час/м2год, из них только на отопление не менее 220 кВт час/м2год. В условиях достаточно мягкого климата в Германии и постоянного роста стоимости энергоносителей это было признано совершенно нерациональным.

Жителям Восточной Германии правительство пообещало в кратчайший срок обеспечить такой же уровень жизни, как у граждан Западной Германии. Для решения одной из главных задач в этом направлении возможно было или снести все эти здания, или произвести их реконструкцию.

В 1995г. был издан федеральным закон, в соответствии с которым новые здания должны строиться с удельным расходом энергии на отопление не выше 100 кВт час/м2/год, остальные затраты были ограничены еще на уровне 60 кВт час/м2год. Для существующих зданий был определен период в 7 лет, в течение которого они или должны быть доведены до установленного уровня энергозатрат, или должны быть снесены, в случае невозможности или нецелесообразности реконструкции. Если же положения упомянутого закона не будут выполнены, то собственнику в несколько раз увеличивали коммунальные платежи, налагали огромные штрафы, увеличивали обязательные страховочные взносы, снижали залоговую стоимость и т.

Также в федеральном законе были предусмотрены: финансовые вливания со стороны государства, налоговые льготы собственникам, федеральные субсидии на использование современных материалов и технологий и другие поощрения. Многие специалисты, воспользовавшиеся этим законом, построили действительно энергоэффективные собственные дома за очень небольшие деньги.

Тем временем во Франции был разработан документ RT 2000 «Индивидуальные дома без систем кондиционирования воздуха». В соответствии с ним необходимо набрать 20 баллов по следующим разделам:

  • теплоизоляция перекрытий, стен и кровли (от 2 до 5 баллов);
  • наличие тепловых мостиков в конструкции здания (от 0 до 4 баллов);
  • тип оконных конструкций (от 1 до 3 баллов);
  • системы вентиляции (от 1 до 4 баллов);
  • системы отопления и горячего водоснабжения (от 1 до 6 баллов).

В документе приведены указания по балльной оценке различных технических решений. Дополнительно учитываются также местоположение и ориентация здания по приведенной в указанных Технических рекомендациях методике. Только если в сумме набираются 20 баллов, то проект может быть утвержден. В указанном документе все требования представлены достаточно наглядно и обеспечивают использование эффективных конструкций с гарантированным выполнением требований по экономии энергии.

можно применять дорогие и очень эффективные окна, можешь сэкономить, например, на теплоизоляции перекрытий. И нет никакой поэлементной догмы, что демонстрирует справедливый и грамотный подход к проектированию энергоэффективных зданий не только для Европы, но и РФ, что также позволяет частично снизить коррупцию в строительной сфере.

Подобные документы успешно применяются во многих странах, что помогло в формировании «зеленых» стандартов строительства.

В оконной отрасли на этом этапе произошло следующее:

  • современные светопрозрачные конструкции стали необходимым атрибутом при строительстве и реконструкции;
  • практически во всех развитых странах, кроме государств с жарким климатом (Испании, Италии), окна из ПВХ-профиля со стеклопакетами стали преобладающей на рынке продукцией. Особенно, когда в ПВХ профилях были заменены свинцовые добавки на более экологичные;
  • в этот период современные оконные технологии пришли и утвердились в РФ и в Китае, а к концу его по объему производства светопрозрачных конструкций Китай вышел на первую, а РФ — на третью позицию в мире;
  • во всем мире произошел «бум» в строительстве высотных зданий, фасадные конструкции которых оборудуются светопрозрачными панелями с энергосберегающим стеклом;
  • вернулись и стали активно развиваться проекты зданий с максимальным использованием естественного освещения и активной солнцезащиты, что позволяет снизить в значительной степени нагрузки на системы отопления и кондиционирования воздуха в зданиях различного назначения;
  • активизировались попытки совмещения фасадных конструкций зданий с солнечными элементами для выработки дополнительной энергии, используемой в дальнейшем для внутреннего и внешнего электроснабжения;
  • были практически решены проблемы вентиляции помещений, которые возникали в зданиях различного назначения при их оборудовании современными, как правило, герметичными окнами.

Этот этап продолжался вплоть до 2003 года и отмечен значительно более интересными результатами с точки зрения внедрения новых энергосберегающих технологий.

Четвёртый этап современной истории энергосбережения

Начало четвёртого этапа современной истории энергосбережения в 2003 г. связано не только с военной операцией США в Ираке и Афганистане и последовавшим увеличением стоимости углеводородов, но и с осознанием того факта, что климат планеты достаточно серьезно меняется. А в глобальном потеплении виноваты, в значительной степени, деятельность человека и неконтролируемый выброс двуокиси углерода.

В этот период отмечались значительные успехи в разработке и запуске в массовое производство новых материалов, позволяющих более эффективно использовать солнечную и иные возобновляемые виды энергии. В частности, в Юго-Восточной Азии (Таиланд, Тайвань) было начато производство тонкопленочных солнечных элементов, КПД которых выше традиционных кремниевых, а стоимость существенно ниже. Это предопределило «взрывной» характер роста применения фотоэлектрических систем.

В апреле 2004 года юридически заработал подписанный в декабре 1997 г. «Киотский протокол». В этом документе государства взяли на себя обязательства по ограничению выбросов парниковых газов, способствующих повышению температуры на планете, в атмосферу. Также были установлены соответствующие квоты и разработаны основные принципы рынка вредных выбросов: развитые страны, обеспечивающие подавляющее производство СО2, имеют возможность покупать определенное количество выбросов у стран, которые имеют «свободные», невыработанные объемы СО2. Однако, только после ратификации данного документа РФ в начале 2004 г. , эти важные межправительственные соглашения смогли начать действовать реально. Киотский протокол до сих пор не ратифицирован США, Китаем и некоторыми другими странами, где объемы выброса в атмосферу парниковых газов значительно превышают установленные для них квоты.

история энергосбережения энергоэффективности

Тем не менее, в связи с тем, что Европа заинтересована в улучшении экологической ситуации на планете, Киотский протокол сыграл очень важную роль в дальнейших шагах Евросоюза в деле энергосбережения. На данном этапе был разработан консолидированный документ 27 стран Евросоюза, известный под условным названием «Программа 20-20-20″, который был принят Европейским Парламентом 17 декабря 2008 г.

В 2004г. Конгресс США, провозгласив выполнение основных положений, принял новый документ «Energy Act 2004″, а также разработал «Дорожные карты» (Road Map) для различных отраслей промышленности. Такие документы имеются практически во всех промышленных отраслях и определяют краткосрочные и среднесрочные конкретные цели энергосбережения. Программа «Energy Act 2004″ очень эффективно работает и, несмотря на рост промышленности в США, энергопотребление в целом по стране практически не изменилось по сравнению с 1990г.

Стоит отметить, и в Евросоюзе, и в США налажена необычайно четкая координация различных мероприятий по энергосбережению не только между странами, но и между отраслями промышленности. Энергосбережение действительно становится основой экономики, и поддерживается большинством граждан стран, несмотря на то, что некоторые новые технологии сегодня все еще значительно дороже традиционных. Подтверждением сказанного является то, что в последние годы во многих странах появляются различные проекты «пассивных» зданий не только малоэтажных, но и высотных, выше 100 м. В них собраны многие достижения и открытия последних лет.

Оконные фирмы также не оказались в стороне. Начиная с 2005 г. большинство ведущих фирм все больше используют энергосберегающие технологии в своей продукции (солнечные элементы в качестве жалюзи или межэтажных заполнений) и представляют осуществленные проекты новых зданий с минимальным расходом энергии на их эксплуатацию.

В этот же период ужесточились наказания за нерациональное энергопотребление и увеличились поощрения за рациональное.

Пятый этап или энергосбережение в наши дни

В целом пятый период новейшей истории энергосбережения не сильно отличался от предыдущего. Однако, для РФ этот этап можно считать качественно новым, поскольку мы предприняли первые попытки для реального, а не формального развития энергосбережения, хоть и с опозданием на несколько десятков лет. После принятия Федерального закона №261 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности» в декабре 2009г. , нескольких заседаний Государственного совета, посвященных этому вопросу, соответствующих Постановлений Правительства РФ в январе 2011г. и начала реализации федеральных и региональных программ по энергосбережению.

Применительно к странам Западной Европы пятый период характеризуется тем, что только в 2009 г. реально начала действовать «Программа 20-20-20″, которая была принята Европейским Парламентом ещё 17 декабря 2008г. Свою лепту также внесли события, случившиеся после аварии на АЭС «Фукусима-1″ в Японии в марте 2011г.

Энергоэффективность. При всей близости этого понятия к понятию энергосбережения все же оно несколько более широкое, чем последнее. Дело в том, что энергоэффективность включает также мероприятия, которые не дают прямой экономии энергоресурсов, однако влияют в целом на экономические показатели их использования. Например, вдувание угольной пыли в доменную печь вместо кокса не приводит к экономии топлива, зато экономит дефицитный кокс; структурные сдвиги в экономике могут влиять на уменьшение уровней потребления, однако к энергосберегающим мерам их можно отнести лишь условно. Энергоэффективность стала элементом официальной государственной политики в Украине после образования в 2006 г. Национального агентства Украины по вопросам обеспечения эффективного использования энергетических ресурсов. К его основным задачам отнесены проведение единой государственной политики в сфере использования энергетических ресурсов и энергосбережение, обеспечение увеличения доли возобновляемых и альтернативных видов топлива в энергетическом балансе Украины. В соответствии с последним обстоятельством остановимся более детально на проблеме замещения потребления традиционных видов топлива в нашей стране.

Терминологические замечания. В Украине присутствует значительный разнобой в терминологии, связанной с применением энергетических ресурсов, альтернативных традиционным. Хронологически первыми нормативно-правовыми документами в этой сфере стали Закон Украины «Об энергосбережении» (1994 г. ) и Программа государственной поддержки развития нетрадиционных и возобновляемых источников энергии и малой гидрои теплоэнергетики (ПНВИЭ), одобренная распоряжением Кабинета Министров Украины в 1997 году. Первый из этих документов включает два определения:

  • «вторичные энергетические ресурсы» – энергетический потенциал продукции, отходов, побочных и промежуточных продуктов, который образовывается в технологических агрегатах (установках, процессах) и не используется в самом агрегате, но может быть частично или полностью использован для энергоснабжения других агрегатов (процессов);
  • «нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» – источники, которые постоянно существуют или периодически появляются в окружающей природной среде в виде потоков энергии Солнца, ветра, тепла Земли, энергии морей, океанов, рек, биомассы.

ПНВИЭ включает также термины сбросного энерготехнологического потенциала и альтернативных источников энергии.

В свою очередь Закон Украины «Об альтернативных источниках энергии» (2003 г. ) дает следующее определение:

«альтернативные источники энергии – возобновляемые источники, к которым относят энергию солнечного излучения, ветра, морей, рек, биомассы, теплоты Земли, и вторичные энергетические ресурсы, которые существуют постоянно или возникают периодически в окружающей среде».

Эти разночтения в определениях следует урегулировать, так как они, по-разному трактуясь, переходят в законодательство, стимулирующее энергосбережение, и в итоге транспонируются на конкретные налоговые льготы на отдельные виды экономической деятельности.

Проблема замещения потребления традиционных видов топлива в Украине. Впервые направления развития в Украине энергетических ресурсов, альтернативных традиционным, определила ПНВИЭ. Она предусматривала интенсивное развитие возобновляемой энергетики и альтернативных источников энергии. Развитию возобновляемой энергетики фактически полностью посвящена часть 2 этого тома. Поэтому здесь мы акцентируем внимание только на перспективах использования в национальной экономике альтернативных видов топлива. Решение этой проблемы очень важно для ослабления энергетической зависимости Украины. Энергетическая стратегия Украины на период до 2030 года предусматривает уменьшение потребления природного газа национальной экономикой с 76,4 млрд. м 3 в 2005 г. до 49,5 млрд. м 3 в 2030 г. или почти на 36%. С точки зрения использования первичных источников энергии она предполагает замещение этого ресурса углем, потребление которого возрастет почти в 2 раза – до 130,3 млн. тонн. Однако конкретных путей этого замещения упомянутый документ не предусматривает.

Следует осознавать, что механическое замещение природного газа углем на уровне конкретных потребителей энергии является чаще всего технически невозможным или же требует значительных затрат на замену топливопотребляющего оборудования. Поэтому чрезвычайно актуальным является вопрос конверсии твердого топлива и/или других углеродсодержащих материалов к газообразному состоянию.

Закон Украины «Об альтернативных видах топлива» относит к альтернативным такие виды газового топлива:

  • газ (метан) угольных месторождений, а также газ, полученный в процессе подземной газификации и подземного сжигания угольных пластов;
  • газ, полученный во время переработки твердого топлива (каменный и бурый угли, горючие сланцы, торф), естественных битумов, тяжелой нефти;
  • газ, содержащийся в водоносных пластах нефтегазовых бассейнов с аномально высоким пластовым давлением, в других подземных газонасыщенных водах, а также в газонасыщенных водохранилищах и болотах;
  • газ, полученный из природных газовых гидратов, и подгидратный газ;
  • биогаз, полигонный, генераторный газ в любом состоянии, биоводород, другое газовое топливо, полученное из биомассы; газ в любом состоянии, полученный при переработке твердого топлива (каменный и бурый уголь, горючие сланцы, торф), природных битумов, тяжелой нефти, нефтяного сырья;
  • газ, полученный из промышленных отходов (газовых выбросов, сточных вод промышленной канализации, вентиляционных выбросов, отходов угольных обогатительных фабрик и т.п.);
  • сжатый и сжиженный природный газ, сжиженный нефтяной газ, сопутствующий нефтяной газ, свободный газ метан, если они получены из газовых, газоконденсатных и нефтяных месторождений непромышленного значения и исчерпанных месторождений и не принадлежат к традиционным видам топлива.

Большинство из перечисленных здесь перспективных альтернативных источников топлива (например метан угольных месторождений и топливо из биологического сырья) не в состоянии компенсировать предвиденное сокращение импорта природного газа, исходя из реальных объемов их получения. Поэтому особый интерес для экономики на современном этапе представляют технологии производства синтетического газового топлива.

Напомним, что на начальных стадиях использования альтернативные источники энергии, как правило, являются более дорогими по сравнению с традиционными и требуют законодательной поддержки для их внедрения. Такая практика широко применяется в мировой экономике, особенно в странах ЕС, и является довольно дальновидной, принимая во внимание постепенный рост стоимости традиционных ТЭР.

Ныне Закон Украины «О внесении изменений в некоторые законодательные акты Украины о стимулировании мероприятий по энергосбережению» предусматривает, в частности, освобождение от налогообложения прибыли предприятий, полученной от продажи на таможенной территории Украины таких товаров собственного производства: оборудования, которое работает на нетрадиционных и возобновляемых источниках энергии; энергосберегающего оборудования и материалов, изделий, эксплуатация которых обеспечивает экономию и рациональное использование ТЭР; средств измерения, контроля и управления расходами ТЭР; оборудования для производства альтернативных видов топлива.

Начиная с 2009 г. значительное внимание уделяется развитию в Украине альтернативных источников энергии. В частности, принято законодательство об установлении «зеленого» тарифа, согласно которому электрическая энергия, произведенная на объектах электроэнергетики, использующих альтернативные источники энергии, будет приобретаться на основе повышенного тарифа по отношению к средневзвешенному тарифу на электрическую энергию. Однако в рамках этого закона понятие альтернативных источников энергии существенно сужено.

Так или иначе, технологии продуцирования альтернативных видов топлива на основе конверсии углеродсодержащих материалов должны быть достаточно эффективными, чтобы обеспечить надлежащий уровень рентабельности их производства. Динамика мировых цен на основные виды первичных энергоресурсов последних лет создает надлежащие предпосылки для развития упомянутых технологий. Действительно, мировые цены на нефть испытывают драматические изменения в сторону увеличения на протяжении нескольких лет; это же касается цен на природный газ, который поставляется в Украину по импорту.

Еще в ХІХ ст. в Европе широко использовался газ, который продуцировался на основе газификации угля; эти технологии путем целенаправленных исследований достигли наивысшего расцвета в первой половине прошлого столетия. Они основываются на неполном сжигании угля до монооксида углерода CO (известного также как угарный газ):

Получаемая на основе первого из этих процессов газовая смесь (так называемый воздушный газ или газ с другим названием, характеризующим способ проведения процесса) имеет относительно невысокую теплоту сгорания (до 4 МДж/ м3 ; для сравнения: теплота сгорания природного газа – 33,5–35,6 МДж/м3). Этот недостаток обусловлен значительным содержанием балластного азота из атмосферного воздуха, однако упомянутый процесс является технологически простейшим. Значительно более высокой является теплота сгорания так называемого синтез-газа H2+CO, получаемого во втором из процессов (до 11,1 МДж/м3). Этот продукт по содержанию водорода H2 является также максимально приближенным к составу жидких углеводородов, что способствует эффективности процесса дальнейшего получения из него синтетического жидкого топлива. Однако этот процесс является эндотермическим и требует дополнительных затрат энергии для его осуществления.

Однако уже во второй половине ХХ ст. технологии газификации угля и производства синтетического жидкого топлива преимущественно потеряли свою значимость вследствие дешевизны и доступности нефтегазовых ресурсов, что обусловило постепенное замещение использования угля природным газом.

Современные технологии продуцирования альтернативных видов топлива позволяют существенным образом расширить сырьевую базу для их производства. Например, в настоящее время в мировой практике широкое распространение получили технологии газификации угля в потоке, в кипящем слое, плотном слое или в расплаве. Они позволяют использовать уголь зольностью до 50%, в частности с высоким содержанием серы. Они активно развивались, например, с целью использования продуктов газификации в парогазовых установках электроэнергетики. Для получения альтернативных видов газового топлива в настоящее время используются даже твердые бытовые отходы (ТБО), являющиеся одним из видов углеродсодержащего сырья. Беспрецедентный рост мировых цен на нефтепродукты обусловил интерес к наращиванию энергетического использования ТБО путем производства электрической и тепловой энергии. При этом принимается во внимание, что калорийность 1 т ТБО несколько превышает калорийность 1 барреля нефти. Именно поэтому в Германии еще в 2003 г. работало 58, а в Франции – 123 завода, которые утилизировали 13,2 и 11,2 млн. т ТБО соответственно, а Стокгольм на 58% обеспечивает потребность в отоплении жилищного фонда за счет утилизации отходов. В Украине в последние годы ежегодно образуется немногим больше 10 млн. т ТБО, что представляет собой значительный энергетический ресурс.

Современные методы утилизации и обезвреживания отходов базируются на высокотехнологических процессах их газификации с получением синтетических горючих газов или на двухстадийном сжигании с использованием паровых, газовых, парогазовых турбин и газопоршневых двигателей. При этом вторая высокотемпературная стадия гарантированно обеспечивает полное обезвреживание продуктов переработки от образования диоксинов и фуранов. Выбросы современных электростанций, сжигающих ТБО, в несколько раз меньше по объему и вредности, чем выбросы угольных ТЭС.

Для переработки и гарантированного обезвреживания опасных отходов одними из наиболее эффективных признаны плазменные технологии. Они позволяют газифицировать наиболее низкокачественное углеродное сырье, а в случае опасных отходов – витрифицировать (остекловать) твердые остатки переработки, получаемые к тому же в минимальном количестве. Последнее позволяет безопасно хранить их в грунте или использовать в качестве строительного материала.

Плазменная газификация характеризуется тем, что тепло для проведения эндотермической по своему характеру реакции образования синтеза-газа из углеродсодержащего сырья вводится в систему, например, с водяной плазмой, а не за счет сжигания угля.

Недостатком отмеченного выше процесса получения синтез-газа является его энергозатратность. Тем не менее, расчеты показывают, что даже наиболее жесткий по энергетическим затратам процесс пароплазменной газификации в варианте конечного производства синтетического жидкого топлива становится экономически выгодным. Особенно целесообразной в этом случае является организация его производства в условиях ночного тарифа на электроэнергию и реализация преимуществ использования неравновесной плазмы.

Процесс пароплазменной газификации рассматривается в настоящее время также как возможный источник получения одного из видов нетрадиционного топлива – H2 – для технологий водородной энергетики. При этом он рассматривается как вторичный источник энергии для использования, например, на транспорте. Безусловное преимущество данных технологий – экологическая чистота, поскольку результатом окисления (сгорания) топлива в этом случае является вода.

Все вышеперечисленные технологии можно рассматривать как наиболее мощный источник для получения альтернативных видов топлива в индустриальных масштабах.

Энергосбережение с позиций термодинамики.

В 1928 г. Вернадский в работе «О задачах и организации прикладной научной работы АН СССР» высказал предположение, что может быть найден некий общий знаменатель, который позволит количественно сопоставлять все природные продуктивные силы. Своеобразным ответом на это предположение стал эксергетический анализ, введенный в научный оборот уже во второй половине ХХ ст. Сама эксергия – уникальный среди термодинамических понятий параметр, в определение которого входит окружающая среда. Вот почему она является перспективным инструментом для решения задач экологии, энергои ресурсосбережения. Понятие эксергии в термодинамике уже излагалось в т. 2 (ч. 2, подраздел 2.

Основная проблема при анализе тех или иных технологических процессов по физическому критерию эффективности возникает в связи с теми из них, которые характеризуются энтропией, например тепловыми. Их физическую основу составляет неупорядоченное хаотическое движение молекул и атомов вещества. Выполнение работы в таких процессах сопряжено с их упорядочением и связано с неизбежными потерями части начальной энергии. Отражением этого факта является хрестоматийный для энергетиков пример идеального цикла Карно, определяющего ограничения на переход теплоты Q в работу L при заданных температурных условиях (нагревателя T 1 и охладителя T 2):

L = Q(T 1 – T 2) / T 1. 1) Напомним, что если в тепловой машине Карно поставить в соответствие температурам T 1 и T 2 количества теплоты Q 1 и Q 2, то с учетом первого закона термодинамики Q 2 = Q 1 – L, или после упрощений:

Q 1 / T 1 = Q 2 / T 2 = S. 2) Другими словами, в идеальном (или обратимом, без диссипативных потерь) процессе, каким является цикл Карно, энтропия S сохраняется. Напомним также, что согласно второму закону термодинамики необратимые процессы (характеризуемые потерями и соответственно снижением выполняемой работы L в случае цикла Карно) сопровождаются только повышением энтропии.

Уже это предварительное обсуждение позволяет строго сформулировать на качественном уровне требования к любым процессам с точки зрения их энергоэффективности: энергию как таковую сберегать не нужно, об этом автоматически «заботится» первый закон термодинамики – закон сохранения энергии, нужно сохранять ее способность выполнять работу. Понятно, что это соответствует, в частности, борьбе с возрастанием энтропии, однако не дает ключ для количественных оценок достижимых эффектов. Эту проблему позволяет решить эксергия – свойство термодинамической системы или потока энергии, характеризуемое количеством работы, которое может быть получено внешним приемником энергии, при обратимом их взаимодействии с окружающей средой до установления полного равновесия.

В понятии эксергии учитываются оба начала термодинамики: работу можно извлечь лишь в том случае, если тело не находится в равновесии с окружающей средой, максимальную работу можно получить только при обратимом протекании процессов. Возвращаясь к примеру идеального цикла Карно, можно проследить основные закономерности, связанные с введением понятия эксергии. Действительно, максимально достижимому значению работы L = L мак с в этом цикле соответствует температура теплоприемника, равная температуре окружающей среды T 2 = T о

L мак с = Q( T 1 – T о. )/ T 1. 3) C учетом (4. 2) получим соотношение

L мак с = Q 1 – T о. с S, (4. 4) из которого четко следует, что способность системы к выполнению работы ограничивается энтропией. Напомним, что энтропия устанавливает глубинную связь макросостояния термодинамической системы (плотности, энергии и т. ) с ее статистическими свойствами вследствие неупорядоченного молекулярного движения (см. также т. 2, ч. 2, подраздел 2.

Для перехода к собственно эксергии E q путем обобщения (4. 4) следует включить также в рассмотрение окружающую среду и ее способность взаимодействовать с рабочим телом за счет перепада давления p или запасов внутренней энергии U :

E q = – Δ ( U + p о. с V – T о. с S), (4. 5) где V – объем рабочего тела.

Здесь следует учесть, что энтропия системы «рабочее тело – окружающая среда» в целом остается неизменной из-за обратимости процесса, однако это ограничение не распространяется на рабочее тело вследствие теплообмена внутри системы.

Поскольку энтропия во всех реальных системах может только возрастать, то согласно (4. 4) и (4. 5) эксергия, наоборот, только уменьшаться.

Подчеркнем, что в вышеприведенном определении эксергии не обязательно фигурирует механическая работа; например, для прямых методов преобразования тепловой энергии в электрическую это может быть электрическая энергия или, строго говоря, любая безэнтропийная энергия.

Принципиальным является факт введения в определение эксергии параметров окружающей среды. Для множества практических задач, связанных, например, с возобновляемыми источниками энергии, оно является неизбежным и, кроме того, естественно распространяет предлагаемый подход и на экологические задачи. Тем более, что эксергетический подход допускает также обобщение на химическую энергию веществ (как топлива, так и других соединений, используемых в энергетических и технологических процессах). Это позволяет определять количества выделяемой и потребляемой энергии (тепла) в этих процессах, не прибегая к составлению каждый раз всех протекающих в них химических реакций. При этом для отсчета эксергии принимаются те вещества окружающей среды, для которых данный параметр может быть равен нулю: продукты выветривания, гидросфера и атмосфера (здесь они находятся в состоянии, близком к равновесию с другими компонентами окружающей среды).

Логика дальнейшего обобщения эксергетического подхода на проблемы природопользования такова. Ресурсы природы ограничены, с этим обстоятельством, собственно, связана острота проблем энергосбережения и экологии, являющихся «двумя сторонами одной медали». Дефициту подвержены не только энергетические ресурсы, но и другие их виды – руды, вода, пища и т. В силу законов сохранения они не исчезают с нашей планеты, но рассеиваются в ней. Все эти процессы – еще одно проявление второго закона термодинамики. Отбросы производства все возрастают, а ни одно живое существо не может жить в среде своих отбросов.

Вот почему эксергия – единственное среди термодинамических понятий, в определение которого входит окружающая среда (или окружение технической системы), – является перспективным инструментом для решения задач энергои ресурсосбережения. С другой стороны, она дает возможность оценивать воздействие технических систем на окружение.

В реальных процессах, которые всегда необратимы, подведенная энергия не теряется, снижается лишь ее пригодность к совершению работы из-за безвозвратных потерь эксергии. Таким образом, определение потерь эксергии в различных звеньях любого технологического процесса позволяет выявить и количественно оценить причины низкого уровня использования энергии в нем и получить информацию о возможностях повышения его к. Именно это и нужно при разработке технологических процессов. Вот почему эксергетический метод термодинамического исследования получил большое распространение. Кроме того, понятие эксергии оказалось полезным в экономике при решении, например, таких специфических задач, как разнесение затрат в совместном производстве тепловой и электрической энергии.

В целом эксергетический анализ дает информацию относительно возможного улучшения термодинамических процессов, но только экономический анализ позволяет решить, рационально такое улучшение или нет. Если провести параллели, то в этом, собственно, состоит различие между энергосбережением и энергоэффективностью на глубинном уровне.

Подытоживая эту часть книги, посвященную проблеме энергосбережения, следует подчеркнуть, что сегодня оно является органическим элементом современной мировой культуры, пронизанной идеями рационального природопользования, стержнем своеобразной философии самоограничения потребления на уровне разумной достаточности (рис. Вместе с тем энергосбережение стало реальным фактором экономики, позволяющим в ряде случаев замещать строительство дорогостоящих дополнительных электрических станций относительно дешевыми мероприятиями по энергосбережению.

Энергосбережение стало одной из приоритетных задач человека из-за дефицита основных энергоресурсов, возрастающей стоимости их добычи, а также в связи с глобальными экологическими проблемами.

Рис. Детский рисунок с конкурса «Энергосбережение для всех и для каждого» (Миндалев Саша, 8 лет «Все течет – все меняется»), г. Пенза

В отличие от развитых стран, где энергосбережение часто является компонентом экономической и экологической целесообразности, для Украины это – ключевой вопрос успешного ее развития, поскольку до настоящего времени все еще не решена проблема сбалансированного платежеспособного потребления ТЭР как внутреннего, так и по импорту.

Следует помнить также, что развитые страны в процессе эволюционного развития последних десятилетий более или менее последовательно решили в основном проблемы национальной энергоэффективности и энергетической безопасности, а в настоящее время – устойчивого развития. Украина же пребывает практически одновременно во всех фазах этого процесса. Тем не менее энергосбережение является ключевой проблемой для успешного решения всех этих задач.

Что может сделать каждый:

история энергосбережения энергоэффективности

Читайте также:  Максимизация рентабельности инвестиций: понимание важности обоснования энергоэффективности
Оцените статью
GISEE.ru - Официальный сайт
Добавить комментарий