ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

Научное обоснование энергосбережения

Формулировка основного закона развития цивилизации как обеспе­чение неубывающего темпа роста полезной мощности, имеющейся в рас­
поряжении общества, дает первые основания для определения меры оцен­ки технико-экономического развития.

Представим закон сохранения мощности в возможно простой фор­ме:

W = Wa + Wn, где Wn = Wp + WT,

здесь W - полная мощность потоков на входе системы, т. е. полная распо­лагаемая мощность, имеющаяся в распоряжении общества; Wa - активная мощность на выходе системы (в данном случае это та часть располагаемой мощности, которая затрачивается целесообразно, в указанном выше смыс­ле, на совершение внешней работы); Wj, - пассивная мощность, мощность потока потерь, эти потери определяются несовершенством техники и тех­нологии; Wr - реактивная мощность потока, которая определяется несо­вершенством организации общественного производства.

Для определения соотношения темпов роста различных составляю­щих потоков мощности был введен критерий побщ эффективности общест­венного производства, или просто критерий эффективности:

W W - W

п =:_а = _____ 11п____ W =п • W

Iобщ JW JW а общ.

Условием прироста эффективности общественного производства является

ЛПобщ

dt

В течение двадцатого века исследователи неоднократно обращались к «лицам» «тени» энергии - энтропии. При этом отмечалось, что, как и по­добает тени, энтропия не передает всего многообразия красок и оттенков энергии - виды ее значительно менее разнообразны и не совпадают с ви­дами энергии. Назовем основные из них - тепловая, структурная и ин­формационная.

Определение тепловой энтропии дано в разд. 1.2. Структурная эн­
тропия служит мерой неупорядоченности строения систем. Так, если из строительных деталей собрать дом, а из деталей автомобиля - автомобиль, то энтропия этих систем уменьшится, ибо упорядоченность их возрастет.

Получить представление об информационной энтропии поможет следующий классический пример. При охлаждении газа до температуры абсолютного нуля он сначала переходит в жидкое состояние, а затем - в твердое, т. е. из менее упорядоченного состояния во все более упорядочен­ное. Соответственно растет и информация о расположении частиц газа, достигающая максимальной величины при абсолютном нуле, когда все они займут вполне определенное положение в твердом теле.

Таким образом, информация эквивалентна отрицательной энтро­пии, или, как предложил называть ее французский физик, один из творцов теории информации Л. Бриллюэн, «негэнтропии». Следовательно, инфор­мационная энтропия - это мера неопределенности сообщения.

Л. Бриллюэн, основываясь на 2-м законе, виды энергии по ценности делит на три категории: А) механическую и электрическую, Б) химиче­скую (атомная - не ядерная), В) тепловую. Наиболее ценны виды энергии А, которые способны полностью превращаться в виды Б и В. Химическая энергия занимает промежуточное положение из-за тепловых эффектов, со­провождающих химические реакции.

Возрастание энтропии приводит к постепенной деградации энергии, которая последовательно переходит все ниже - из класса А в класс Б и да­лее в класс В.

Во всякой изолированной системе энтропия возрастает, а негэнтро - пия убывает. Следовательно, негэнтропия характеризует качество энергии, а 2-й закон выражает закон деградации, обесценения, снижения уровня энергии. Отсюда система, способная производить механическую или элек­трическую работу, должна рассматриваться как источник негэнтропии (сжатая пружина, поднятый груз, заряженный электроаккумулятор и т. п.).

В неживой природе, где действует 2-й закон, понятие ценности свя­зано с инертной материей, или, точнее, с энергией. В других областях «ценность», по-видимому, можно определить независимо, но и в большин­стве таких случаев она подчиняется закону естественной убыли.

Из 2-го закона следует, что в состоянии полного равновесия систе­мы с окружающей средой ее энтропия достигает максимального значения

S = Smax. (5.4)

После этого система не может как-либо изменяться - функциониро­вать, развиваться.

Поскольку энтропия в состоянии равновесия системы, достигнув максимума, больше не изменяется, скорость ее возрастания в этом состоя­нии равна нулю

AS / т = 0. (5.5)

Однако в некоторых случаях достижению системой равновесного состояния препятствуют какие-то внешние условия (теплоизоляция холо­дильного шкафа, герметизация баллонов со сжатым газом и т. п.). Тогда она приходит в состояние стационарно неравновесное, характеризующееся минимальным значением скорости возникновения энтропии при данных внешних условиях, см. (5.3):

AS / т = ( AS / т )min.

Как уже отмечалось в разд. 5.1, это положение было впервые сфор­мулировано в 1947 г. И. Пригожиным и названо принципом минимума воз­никновения энтропии.

В уточненном виде, позволяющем применить этот принцип для ре­шения ряда задач, он формулируется так: из всех устойчивых стацио­нарных состояний системы, допускаемых граничными условиями, за­конами переноса и сохранения, а также 2-м законом, реализуется со­стояние с минимальным производством энтропии. В такой форме этот принцип приобретает смысл принципа максимально возможного сохране­ния структуры системы в неравновесном состоянии.

Работы Л. Бриллюэна и И. Пригожина, выполненные в прошлом ве­ке, позволяют сформулировать основные принципы энергосбережения:

• из всех изменений, которые наблюдаются в реальных изолированных системах, следует использовать в первую очередь те, которые способству­ют снижению интенсивности возрастания энтропии (ограничению темпов деградации энергии);

• обеспечение в любой изолированной системе состояния с минимальным производством энтропии и есть энергосберегающий принцип функциони­рования этой системы;

• принцип максимально возможного сохранения структуры системы в неравновесном состоянии и есть одно из условий энергосберегающего раз­вития этой системы;

• энергосберегающая деятельность включает в себя следующие основные направления (по числу видов энтропии):

- мероприятия по снижению темпов деградации любых видов энергии, связанных с их переходом в тепловую энтропию;

- реализация мер, способствующих росту упорядоченности строения любых систем. Конечной целью здесь является формирование устойчивого общества, учитывающего интересы будущих поколений;

- обмен информацией между отдельными частями в любой системе (и в обществе в целом) должен способствовать накоплению негэнтропии (от­рицательной энтропии), пусть даже и за счет роста расхода энергии.

Для того чтобы при реализации принципов энергосбережения как - то на уровне фактических результатов оценивать энергетическую эффек­тивность, в ХХ веке были предложены многочисленные методы и показа­тели. Приведем здесь отдельные из них.

В 1956 году было введено понятие «эксергия». Этот термин был весьма популярный, очень широко использовался в самых различных на­учных исследованиях, поэтому рассмотрим одно из известных толкований этого явления.

Сразу же при появлении первых тепловых двигателей многие об­ращали внимание на невозможность использования всей подведенной к рабочему телу энергии. Большая часть энергии при работе любого двига­теля в лучшем случае используется на тепловое загрязнение окружающей среды.

Заметив это, Р. Клаузиус в 1865 г., Д. У. Гиббс в 1875 г. сформули­ровали понятие свободной энергии системы, которое стало широко извест­ным из статьи Г. Гельмгольца (1882) и получило название термодинамиче­ского потенциала Гельмгольца.

Свободная энергия системы F = U - TS - это часть ее внутренней энергии U, которая может быть превращена в любую немеханическую ра­боту W при постоянном объеме системы и постоянной температуре T, равной температуре окружающей среды. Такие процессы происходят в гальванических элементах, где химическая энергия превращается в элек­трическую работу, при фазовых превращениях и т. д. (т. е. когда механиче­ская работа не совершается).

Внутренняя энергия систем состоит из двух частей U = (U - TS) + + TS, одну из которых F = U - TS можно превратить в работу, за что ее и называют свободной, а другую TS - нет, за что ее называют связанной.

Максимальная работа, которую система может совершить при по­стоянной температуре и постоянном объеме, должна быть равна уменьше­нию свободной, а не полной энергии системы

W* max = - AF = - AU + TAS. (5.6)

Совершается максимальная работа только в идеальных, нереальных обратимых процессах.

Действительная работа, производимая системой в реальных, необ­ратимых процессах, всегда меньше максимальной на величину необрати­мых потерь тепла в окружающую среду TASn, где ASn - увеличение энтро­пии системы вследствие необратимости процесса:

Ж*д = - AF - TASH = - AU + TAS - TASн < W*max. (5.7)

В изотермически-изобарных (при постоянных температуре и давле­нии) процессах работа совершается за счет уменьшения свободной энталь­пии - полной энергии системы, складывающейся из внутренней энергии U и внешней запасенной механической (упругостной) энергии pV, где p - давление окружающей среды (например, атмосферное), а V - объем систе­мы. Свободную энтальпию называют также потенциалом Гиббса. Если обозначить энтальпию I = U + pV, то свободная энтальпия будет равна G = = I - TS. В этих процессах, протекающих, например, в топливных элемен­тах, при парообразовании и т. д., максимальная и действительная работы будут соответственно равны

W*max= AG; W*д = - AG - TASK < W*max. (5.8)

Величины свободной энергии и свободной энтальпии определяют, как мы видели, исходя из равенства температур системы и окружающей среды - из изотермичности процесса, поэтому, как и энергия, эти потен­циалы являются функциями состояния системы, т. е. их изменение в про­цессе не зависит от его характера, а определяется лишь разностью конеч­ного и начального значений.

Однако в реальных условиях температуры системы (например, про­дуктов сгорания в цилиндрах автомобильного двигателя перед расширени­ем) и среды обычно различны. В конце XIX в. француз Ж. Гюи и чех

А. Стодола ввели новое понятие, учитывающее это различие, - техниче­ской работоспособности, или максимальной технической работы, которую может совершить система при переходе из данного состояния в состояние равновесия с окружающей средой, включающее и выравнивание темпера­тур. В 1956 г. Р. Рант подобрал для этой величины название, созвучное «энтропии», - «эксергия», часть же, не превращающаяся в работу, была на­звана «анергия».

Закон Гюи - Стодолы гласит: потеря эксергии из-за необратимости процессов равна произведению температуры окружающей среды на сумму приращенной энтропии всех тел, участвующих в исследуемых процессах, - T DAShj. Таким образом, эксергия зависит от температуры окружающей среды, а потому, строго говоря, не является функцией состояния системы, хотя ее условно и принимают за таковую.

Следовательно, если полная энергия идеальной системы складыва­ется из свободной энергии и связанной энергии, то полная энергия реаль­ных систем делится на эксергию и анергию. Из сказанного выше ясно, что в одних и тех же условиях эксергия всегда меньше свободной энергии, а анергия всегда больше связанной энергии.

Из 2-го закона следует, что во всех необратимых процессах эксер - гия уменьшается, превращаясь в анергию, а в обратимых процессах она ос­тается неизменной. Значит, в отличие от энергии, которая, строго говоря, не может «расходоваться» и «теряться» по закону сохранения ее (допус­кающего лишь переход энергии из одной формы в другую), эксергия, ха­рактеризуя запас работоспособности системы, по мере совершения по­следней работы или при протекании других необратимых процессов всегда уменьшается, расходуется. Это позволило ввести, например, эксергетиче - ский коэффициент полезного действия двигателей - отношение использо­ванной для получения движения эксергии к подведенной и теплообменных аппаратов - отношение эксергии теплоносителя на выходе к его эксергии на входе. В результате получается, что в отличие от энергетического КПД, например, автомобильных двигателей, равного 25 - 40 %, эксергетический КПД достигает 80 - 90 %, и, наоборот, у паровых котлов первый равен 92 - 96 %, а второй - 50 - 60 %. Эксергетический КПД лучше отражает дейст­вительную эффективность рабочего процесса, поскольку показывает, какая часть работоспособности продуктов сгорания была использована в двига­теле для совершения работы, а в паровом котле - для получения пара с па­раметрами его входа в турбину, т. е., например, с температурой порядка 500 °С - в 4 раза более низкой, чем в автомобильном двигателе.

Эти достоинства эксергии сделали ее чрезвычайно популярной в качестве критерия оценки эффективности тепловых машин и аппаратов. Однако иногда забывают, что эксергетический баланс позволяет учесть по­тери лишь из-за необратимости процессов, а это не всегда является глав­ным. Так, при сравнении теоретических циклов реальных тепловых ма­шин, все процессы которых принимаются обратимыми, с идеальным обра­тимым циклом Карно, эксергетический КПД всех их равен 100 %. При ис­пользовании же тепла для нужд (плавки металлов, выпарки, сушки и т. п.) запас работоспособности теплоносителя - его эксергия - не имеет прямого значения.

В течение ХХ столетия ученые неоднократно делали попытки оты­скать зависимость между деньгами и энергией. Чем это вызвано? Эконо­мика, в первую очередь рыночная, заставляет всех причастных к ней про­изводителей и потребителей постоянно сравнивать, искать показатели, объективно отражающие результаты их экономической деятельности. Причем участники рынка неоднократно убеждались, что использование только стоимостных показателей в денежной форме зачастую не отражает фактической ситуации, реально сложившейся на соответствующем эконо­мическом пространстве.

В свое время бывший наш соотечественник нобелевский лауреат

В. В. Леонтьев (США) обосновывает необходимость производства эконо­мического анализа в натуральных (т. е. не только энергетических) показа­телях тем, что даже свободное образование цен в условиях рыночных от­ношений не может быть свободным от искажений базовой цены любых то­варов при наличии даже самого малого минимального их дефицита.

Таким образом, можно утверждать, что вопрос о том, как можно избавиться от цепных реакций искажения фактических затрат и цен, актуа­лен для любого вида общественного производства. Важно это и для совре­менной России, когда практически все обсуждают и прогнозируют если не дефолт, то скачки цен (на хлеб, на металл и т. д.)

Ввиду этого необходимость использования физических методов ис­следований в экономике является объективной реальностью.

В связи с энергетическим кризисом в 1974 г. очередной раз возник­ла необходимость поиска зависимости между деньгами и энергией. Раз­вернутую картину такой зависимости дали американские ученые Г. Одум и

Э. Одум в своей книге «Энергетический базис человека и природы» (1976). Сущность ее такова [15].

Деньги переходят из рук в руки, выполняют роль посредника, обес­печивающего обмен товарами и услугами. Однако в природе нет денег, и обмен совершается, как мы видели, энергией и энтропией: в основе материального производства - продуктов питания и промышленных товаров - тоже лежит энергоэнтропийный обмен. Причем, как мы зна­ем, большая часть энергии и негэнтропии, овеществленная в продуктах и товарах, - это солнечная энергия, энергия движения воды в реках и морях и энергия движения воздуха в атмосфере.

Деньги появляются лишь на завершающей стадии трудового процес­са как некий его эквивалент, более удобный для обмена, чем сам продукт труда. Однако сложные условия социально-экономической, общественно­политической и духовно-психической жизни человеческого общества, не­устойчивость его потребностей, меняющихся часто под действием таких случайных факторов, как кризисы, войны, моды и т. д., не позволяют день­гам быть действительно однозначным эквивалентом трудового процесса, т. е. затраченной и «сбереженной» в нем энергией или негэнтропии: курс де­нег выше или ниже этих величин. Кроме того, люди и государства накопи­ли такие огромные богатства в виде ценностей значительно более дорогих, чем золото, что его стоимость тоже стала весьма неустойчивой. В резуль­тате и золотой эквивалент на заре денежной системы, выражавшей количе­ство энергии, затраченной горняком или старателем на поиски, добычу, транспортировку, обработку и даже охрану этого редкого металла, тоже теряет свое значение.

Вместе с тем экономические системы, используя имеющиеся в их распоряжении ресурсы сырья и энергии, призваны обеспечивать опреде­ленный уровень жизни населения. Однако люди - небольшая часть био­сферы и таких экологических систем, как океаны, атмосфера, почва, леса и т. д., поэтому определяющим фактором их уровня жизни может быть вели­чина потребления энергии в единицу времени, что зависит от ее общих за­пасов на Земле и их доступности.

Вот почему энергия (и негэнтропия), а не деньги должна стать еди­ницей измерения и оценки, ибо только в этом случае можно будет всюду правильно оценивать и контролировать тот вклад, который вносит природа в существование человеческого общества.

В обществе с развитым денежным обращением энергия накаплива­ется в виде информации, денег, технологических знаний и общественных договоров. Функционирование накопителей энергии обеспечивается затра­тами потенциальной энергии. Существование в системе накопителей энер­гии способствует улучшению циркуляции денег, материалов и услуг, под­воду новых количеств энергии и т. д.

Следует понять, что речь не идет об изъятии денег из обращения и замене их килограммами условного топлива или киловаттами. Речь идет о введении кроме экономического (денежного) анализа так называемого энергетического анализа на основе физических, в том числе и энергетиче­ских, параметров.

Сразу после энергетического кризиса в 1974 г. конгресс США при­нял закон, в соответствии с которым при осуществлении федеральных про­грамм обязателен энергетический анализ различных технологий производ­ства и преобразования энергии. В этот же период был создан институт энергетического анализа, в первую очередь для разработки единой методо­логии.

Достаточно подробно эти методы сравнительной оценки техноло­гических процессов были использованы в книге Х. Чоджоя «Энергосбере­жение в промышленности» (1979), переведенной на русский язык [10].

Появились такие работы и в СССР. В порядке общественной ини­циативы их проводили и на Урале: Уральский научный центр АН СССР, Уралэнергочермет, Уралгипрогаз. В результате этих работ был предложен метод энергетической оценки современных промышленных технологий. Была поддержка по тем временам на самом высшем уровне - газета «Правда», № 336, 02.12.1986 и др. Но все эти разработки как в СССР, так и в России остались до сих пор на уровне общественных инициатив.

Именно в результате этих инициатив были разработаны основы ин­тегрированного энергетического анализа (ИЭА), который можно рассмат­ривать как методологическую основу энергосбережения. Подробно теория ИЭА, включая методику определения полной энергоемкости изготовления продукции, изложена в работе [16]. В ряде характерных деталей эта мето­дика в 2001 г. была закреплена в ГОСТ Р 51750-2001 и ГОСТ Р 51749-2001 [17, 18].

С участием авторов данного учебника этот метод энергетического анализа получил развитие в создании и использовании на примере Сверд­ловской области методики расчета энергоемкостей валового регионально­го продукта (ВРП) и валового отраслевого продукта (ВОП) [19] - см. гл. 15.

Основной итог всех этих исследований - устойчивый рост благо­состояния общества возможен только при обеспечении принципа энерге­тической рецессии, т. е. при снижении темпов роста удельных объемов по­требления первичной энергии.