ЛЕКЦИЯ 7 ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В ПРОМЫШЛЕННОЙ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИИ
7.1 Проблемы экономии энергии
Энергии в мире хронически не хватает, а ее производство, передача и использование сопровождаются загрязнением среды. В настоящее время большинство городов за счет крупных ТЭЦ, которые дают электричество и тепло. КПД этих ТЭЦ не превышает 30%, а кроме того тепло теряется при его передаче по трубам даже при самой тщательной теплоизоляции. Примерно в 2 раза повысить КПД использования энергоносителей можно при децентрализации производства электроэнергии и замене ТЭЦ небольшими блок-ТЭЦ, которые приближены к потребителям и расположены в подвалах зданий.
Много энергии можно сэкономить в быту, так как большую часть энергии человек затрачивает на систему жизнеобеспеченности (энергия пищи составляет 5-7%). Так флуоресцентная лампочка мощностью в 18 Вт дает столько же света сколько лампочки накаливания в 75 Вт. Замена ими ламп накаливания позволит сократить потребление электроэнергии на освещение примерно в 4 раза. Кроме того, новые лампочки в 7 раз долговечнее, чем старые, что позволит экономить и ресурсы.
Теплоизоляция стен позволяет сократить расходы энергии на обогрев жилья даже в самых холодных районах. В утепленном доме вместо печи будет достаточно одного небольшого электронагревателя. Сегодня самым жестким является шведский стандарт, который допускает теплопотери зданий не более 50-60 кВт*ч/год на 1 м2, а в Германии он равен 200. В принципе можно сократить порог теплопотерь до 15 кВТ*ч/год. Трудно даже представить какую экономию можно получить при ликвидации расточительства тепла в жилищах людей.
Имеется принципиальная возможность сократить примерно в 2 раза расход электроэнергии при использовании бытовой техники (холодильников, телевизоров и др.) В США в 1972 г. энергопотребление среднего холодильника составляло 3,36 ВТ*ч/год в 1993 г. стандарт был снижен до 1,16 Вт*ч/год. В Дании сегодня это значение составляет 0,45, причем анализируется его уменьшение до 0,26.
7.2 Нетрадиционные источники энергии
Неисчерпаемость и экологическая чистота возобновляемых источников энергии (ВИЭ) на фоне стремительного сокращения запасов органического топлива, все более остро встающих проблем изменения климата Земли и загрязнения атмосферы, делают их наиболее привлекательными из всех существующих видов энергии.
В настоящее время поиск и активное использование новых альтернативных источников энергии во многих развитых странах мира приняты в качестве жизненно важных, стратегически необходимых ресурсов, обеспечивающих перспективное развитие экономик этих стран.
7.2.1 Солнечная энергетика.
Солнечные батареи – один из наиболее перспективных источников энергии в будущем. Более того, с точки зрения энергетики, биосфера представляет собой гигантскую солнечную батарею, распределенную по всей Земле. Растения аккумулируют солнечную энергию, превращая ее в энергию химических связей молекул глюкозы, образуемой при фотосинтезе из углекислого газа и воды. Животные с пищей получают накопленную солнечную энергию, поглощенную ранее на месяцы (в вегетарианской пище) или годы (в мясе). Нефть – главный источник энергии современной цивилизации – вобрала в себя солнечную энергию, поглощенную еще в палеозое. И так, все живое на Земле – это солнечная батарея, мощность которой по меньшей мере в 100 раз превышает нынешнее энергопотребление человечества.
Перспективные для строительства солнечных электростанций (СЭС) районы с продолжительностью солнечного сияния до 2000-3000 ч в год и плотностью прямой солнечной радиации до 900-1000 Вт/м2 в основном расположены в Южном Казахстане. В этом регионе имеются огромные возможности прямого использования солнечной энергии для тепло - и водоснабжения (отопление, горячее водоснабжение и водоподъем), обогрева теплиц, кондиционирования, опреснения воды и сушки в промышленности и сельском хозяйстве.
По оценкам экспертов ООН, если в этом районе потребность в электроэнергии не превышает 25 кВт*ч./день и централизованное электроснабжение отсутствует, то солнечная энергетика (СЭС) наиболее перспективна.
7.2.2 Ветроэнергетические установки (ВЭУ).
В настоящее время ВЭУ нашли широкое распространение в различных странах мира, где имеется достаточный ветровой потенциал (США, Великобритания, Япония, Франция, Германия, Китай, Индия и т. д.).
С одной стороны ветер имеет несомненное преимущество перед традиционными (тепловыми) энергоисточниками, т. к. не требуется добыча первичных энергоресурсов, с другой – обладает рядом недостатков, связанных с его непостоянством.
Таким образом, потребители энергии ветра, нуждающиеся в небольших мощностях, рассредоточенные на значительной территории вдали от ЛЭП, нечувствительны к качеству вырабатываемой энергии и к перерывам в энергоснабжении, случайным изменениям генерируемой мощности в течение суток и по времени года. На область нецелесообразного использования энергии ветра влияет множество факторов и взаимосвязей, которые должны быть учтены в экономических расчетах.
Можно выделить следующие цели использования ВЭУ:
Использование ВЭУ как наиболее экономичного и экологически относительно чистого источника энергии. В этом случае базой для сравнения будут наиболее экономичные из известных энергоисточников, а критерием конкурентоспособности ВЭУ следует принять снижение приведенных затрат на производство и распределение единицы энергии по сравнению с базовым вариантом, в котором учтены экологический ущерб и стоимость ЛЭП. Так как приведенные затраты зависят от режима работы ВЭУ (автономно или в энергосистеме), то различают два варианта:
ВЭУ работает в энергосистеме, когда непостоянство выработки энергии не играет существенной роли, т. е. в качестве расчетной величины можно брать всю потенциально возможную выработку энергии ВЭУ ВЭУ работает в автономном режиме, базой для сравнения будет наиболее экономичный вариант энергоснабжения, но без участия ВЭУ. За расчетную величину следует принимать не потенциальную, а только потребленную энергию с учетом неустранимой «избыточности» ее, а в расходы необходимо включать все дополнительные затраты, связанные с ЛЭП и резервированием энергоснабжения.7.2.3 Биоэнергетика.
Вся деятельность по использованию биомассы в Казахстане имеет прежде всего экологическую направленность, т. к. в значительной мере ориентирована на переработку отходов сельского хозяйства и коммунального хозяйства городов.
Наибольшее развитие получила переработка биомассы, основанная на процессах газификации, пиролиза и получения жидких топлив. К использованию биомассы в Казахстане практически еще не приступали, имеется лишь несколько опытных установок по переработке отходов сельского хозяйства, тогда как в Индии и Китае эксплуатируются миллионы биоэнергетических установок.
За последние 10 лет в США, Дании, Швеции мощности биоустановок достигли 400 Мвт. В России биоустановки изготавливаются только одним маломощным Шумихинским машиностроительным заводом в Курганской области.
Для более полного вовлечения биотоплива в энергетический баланс Казахстана необходимо создать (или приобрести) высокоэффективные штампы анаэробных микроорганизмов, специальные виды биомассы, технологии и эффективное оборудование, которые уже сегодня широко используются за рубежом.
7.2.4 Гидроэнергетика.
Проведенный анализ современного состояния вопроса показал, что в связи с ростом стоимости всех видов органического топлива интерес к разработке тепловых конструкций и дешевого стандартизированного гидротурбинного оборудования для безнапорных и низконапорных малых ГЭС резко возрос.
На мини и микро ГЭС применяются те же виды генераторов переменного тока, что и на ветроэнергетических установках: синхронные генераторы, асинхронные генераторы, машино - вентильные генераторные системы. В последнее время от генераторов постоянного тока практически отказываются. По уровню использования гидроэнергоресурсов Казахстан отстает от развитых стран. В США освоено 62,5%, в Канаде 53,4%, в Японии 66,6%, в Швеции и Италии 74%, во Франции 92%, а в Казахстане около 20%.
Потенциал малых рек на сегодняшний день один из самых доступных, эффективных возобновляемых энергоресурсов на территории РК и Восточно-Казахстанской области [6]. В соответствии с постановлением Правительства РК от 01.01.01г., протокол №1, казахстанская большая и малая гидроэнергетика будут развиваться в полноводном бассейне Иртыша в Восточно-Казахстанской области и др. регионах с суммарным технически и экономически целесообразным объемом освоения гидроэнергоресурсов в Республике Казахстан около 52,5 млрд. кВт. ч. в год, что соответствует сжиганию на ТЭС 18 – 20 млн. тонн угля ежегодно. Соответственно в Восточно-Казахстанской области – около 20 млрд. кВт. ч. И 7 – 8 млн. тонн угля ежегодно, что составляет 38% объемов РК.
На уровне 2006г. в Восточно-Казахстанской области освоено гидроэнергоресурсов 5,6 млрд. кВт. ч. в год, что составляет (от 20 млрд. кВт. ч. В год) - 28%.
В связи с отъемами части стока р. Черный Иртыш на территории КНР (до 27% стока) выработка на В. Иртышском каскаде ГЭС уменьшается на 300 млн. кВт. ч. В год. Компенсация недовыработки мощей быть осуществлена за счет ввода мощностей на малых ГЭС Восточно-Казахстанской области.
7.2.5 Атомная энергетика.
Невиданными темпами развивается сегодня атомная энергетика. За несколько десятилетий, общая мощность ядерных энергоблоков выросла с 5 тысяч до 23 миллионов киловатт. В принципе энергетический ядерный реактор устроен довольно просто - в нем, так же, как и в обычном котле, вода превращается в пар.
Для этого используют энергию, выделяющуюся при цепной реакции распада атомов урана или другого ядерного топлива. На атомной электростанции нет громадного парового котла, состоящего из тысяч километров стальных трубок, по которым при огромном давлении циркулирует вода, превращаясь в пар. Эту махину заменил относительно небольшой ядерный реактор.
Самый распространенный в настоящее время тип реактора водографитовый. Еще одна распространенная конструкция реакторов - так называемые водо-водяные. В них вода не только отбирает тепло от твэлов, но и служит замедлителем нейтронов вместо графита. Конструкторы довели мощность таких реакторов до миллиона киловатт.
Но все-таки будущее ядерной энергетики, по-видимому, останется за третьим типом реакторов, принцип работы и конструкция которых предложены учеными, - реакторами на быстрых нейтронах. Их называют еще реакторами - размножителями. Обычные реакторы используют замедленные нейтроны, которые вызывают цепную реакцию в довольно редком изотопе - уране-235, которого в природном уране всего около одного процента.
Именно поэтому приходится строить огромные заводы, на которых буквально просеивают атомы урана, выбирая из них атомы лишь одного сорта урана - 235. Остальной уран в обычных реакторах использоваться не может. Преимущества реакторов на быстрых нейтронах очевидны. В них для получения энергии можно использовать все запасы природных урана и тория, а они огромны - только в Мировом океане растворено более четырех миллиардов тонн урана.
7.2.6 Теплонасосные установки (ТНУ).
Одним из нетрадиционных источников более дешевой энергии, нашедшим широкое применение в ведущих странах мира на рубеже XX – XI веков, являются теплонасосные установки (ТНУ). Теплонасосные установки – единственные установки, которые производят в 3 – 7 раз больше тепловой энергии, чем потребляют электрической на привод компрессора и поэтому считаются наиболее эффективными источниками высокопотенциальной теплоты [7].
Развитие и усовершенствование ТНУ, постоянно возрастающий спрос на них, привели к тому, что многие высокоразвитые страны мира (США, Япония, Швеция, Германия, Финляндия и т. д.) используют их как основной источник в системах отопления и горячего водоснабжения жилых, общественных и производственных помещений, при утилизации низкопотенциальной теплоты в промышленности, жилищно-коммунальном хозяйстве, сельском хозяйстве.
В чем же причины такого массового признания тепловых насосов?
1) Экономичность. Чтобы передать в систему отопления 1 кВт тепловой энергии, тепловому насосу нужно лишь 0,2 - 0,35 кВт электроэнергии;
2) Экологическая чистота. Тепловой насос не сжигает топливо и не производит вредных выбросов в атмосферу;
3) Минимальное обслуживание. Для работы теплонасосной станции мощностью до 10 МВт не требуется более одного оператора в смену;
4) Короткий срок окупаемости. В связи с низкой себестоимостью производимого тепла тепловой насос имеет малый срок окупаемости.
В таблице 1.1 приведены сравнительные характеристики для оборудования различных типов, показывающие эффективность применения теплонасосной установки [8].
Таблица 7.1 - Сравнительные характеристики для оборудования различных типов
Технические характеристики | Тип оборудования | ||
Газовый котел или котел на жидком топливе | Электрический котел | Теплонасосная установка | |
1 | 2 | 3 | 4 |
Стоимость | средняя | низкая | высокая |
Коэффициент использования первичной энергии | 0,75-0,85 | 0,27-0,34 | Больше 1 |
Пожароопасность | Опасен (постоянный огонь) | Опасен | Безопасен |
Взрывчатость | Опасен | Опасен | Безопасен |
Экологическая безопасность | Вреден, необходима вентиляция | Безвреден | Безвреден |
Возможность кондиционирования | Не обеспечивает | Не обеспечивает | Обеспечивает |
Стоимость сервисного обслуживания | 100% | 100% | 50% |
Потребляемые энергоносители | Газ, дизельное топливо | Электрический ток | Тепло земли, электрический ток |
Срок службы, лет | 15-20 | 3-8 | 25-50 |
Автономность | Требует наличия топлива в полном объеме | Требует электроэнергию в полном объеме, автономное питание не обеспечивает достаточной выработки | Может автономно работать при наличии резервного электроснабжения от 2 кВт |
Практически во всех моделях тепловых насосов дополнительно установлен электронагреватель. Зачем? Дело в том, что при выборе отопительной установки номинальная мощность рассчитывается исходя из максимальной потребности тепла, т. е. для покрытия тепловой нагрузки в самый холодный зимний день [9].
Однако, исходя из многолетних наблюдений, время стояния такой температуры всего лишь несколько дней в году, а это значит, что при расчете на максимальную мощность значительная часть потенциала теплового насоса будет использоваться очень редко.
Для выбора соотношения мощностей теплового насоса и электронагревателя существует специальный интегральный график, кстати, обладающий свойством универсальности для всех регионов. Из графика на рисунке 2 видно, что если источник тепла будет состоять из 2-х источников, один дорогостоящий, но вырабатывающий «дешевую» энергию (тепловой насос) с номинальной мощностью 60 % от расчетной нагрузки, и другой, дешевый, но вырабатывающий «дорогую» энергию (электронагреватель), то за год первый источник выработает приблизительно 92% энергии, а второй около 8% энергии.
Такая комбинация позволяет снизить стоимость капитальных затрат и увеличить срок окупаемости теплонасосной установки. Причем определяющим фактором является не стоимость самой установки, а стоимость обустройства внешнего контура – скважины либо земляного контура [10].
Согласно прогнозным оценкам российских и американских ученых намечается устойчивая тенденция возрастания цен на различные виды энергоносителей к 2030 году. В связи с этим применение теплонасосоной установки становится более целесообразно.
