ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

Виды потерь энергии

Если мы будем рассматривать промышленные предприятия как сис­тему (рис. 4.1), то можем установить, что, с одной стороны, имеются за­траты энергии, сырья и труда, а с другой стороны - выпуск продукции, вы­ход вторичных энергоресурсов и материалов. На практике можно ограни­читься выпуском продукции, а вторичную энергию и материалы можно не

использовать, что нередко и наблюдается в реальной жизни. Это первый вид потерь энергии.

Труд ►

Энергия ►

/

/

„ Сырье

TOC o "1-5" h z ; ?— ►

N v

ч ' ' ' - - - - Рециркуляция л'

'- - - - -________________________ Рециркуляция

Рис. 4.1. Схема промышленного производства

Непосредственно в производственном процессе может использовать­ся различное оборудование для реализации конкретных промышленных процессов (рис. 4.2), эффективность которых в зависимости от уровня тем­пературы изменяется от 10 до 70 %. Это как бы второй вид потерь энергии. КПД многих технологических процессов можно повысить за счет улучше­ния использования топлива на каждой стадии производства продукции, применения специальных устройств для производства энергии из вторич­ных энергоресурсов. Но, не рассматривая здесь экономические, инвести­ционные и тому подобные возможности, отметим только, что вид и со­стояние используемой технологии пока еще не всегда способствуют реали­зации такой возможности. Поясним это на примере обогрева хорошо изо­лированного дома. При его обогреве за счет поступления прямой солнеч­ной радиации через обращенные к солнцу окна потери тепла составляют не более 10 %, т. е. если есть такая климатическая и техническая возможность, то, используя солнечную радиацию, поступающую естественным путем или улавливаемую специальными устройствами, можно получить нужное количество тепловой энергии для отопления без значительных потерь в окружающую среду (5-10 %).

1 - ковка и штамповка; 2 - медеплавильные печи; 3 - плавка латуни; 4 - закалка высокопрочной стали; 5 - печи для нагрева заготовок; 6 - печи для фьюмингова - ния цинка; 7 - печи для сжигания мусора; 8 - цементация; 9 - мартеновские пе­чи, работающие с вдуванием кислорода; 10 - нормализация; 11 - эмалирование стекловидными эмалями; 12 - снятие напряжений; 13 - окисление аммиака; 14 - отжиг; 15 - плавка алюминия; 16 - обжиг цементного клинкера; 17 - марте­новские печи, работающие на воздушном дутье; 18 - выхлоп дизельного двига­теля; 19 - нефтехимический синтез; 20 - цинкование; 21 - выхлоп газовых тур­бин; 22 - термическая обработка на твердый раствор алюминия и магния; 23 - обжиг цементного клинкера (мокрый процесс); 24 - нагрев алюминия под прокатку; 25 - лужение; 26 - сушка стержней; 27 - отпуск; 28 - дисперсное твердение алюминия и магния; 29 - горячая сушка изоляционных лаков; 30 - от­вердение пластмасс; 31 - вулканизация резины; 32 - производство химических продуктов; 33 - подогрев воды; 34 - бытовые приборы

При обогреве того же дома за счет использования электроэнергии, выработанной на АЭС, подаваемой по линии электропередач и превра­щенной в тепловую форму (теплоту сопротивления), потери тепла состав­ляют 86 %.

Составляющие тепловых потерь: при добыче урана - 5 %, обогаще­нии и перевозке урана - 41 %, электростанции - 37 %, при передаче элек­троэнергии - 3 %. Получается, что превращение высококачественной энер­гии, извлекаемой из ядерного топлива, в тепловую энергию с температурой в несколько тысяч градусов и далее в высококачественную электроэнер­гию, а затем целевое использование этой энергии для поддержания темпе­ратуры в доме на уровне 18-20 0С является расточительным процессом.

На основе зарубежных данных на рис. 4.3 показаны соотношения коэффи­циентов полезного действия энергии, получаемой из различных источни­ков и используемой для отопления. Согласно этим данным, наилучшим способом отопления, особенно в районах с холодным климатом (т. е. в ус­ловиях России), является строительство зданий, абсолютно изолированных от внешней среды. Подобные здания должны быть настолько герметичны, что даже в тех районах, где температура воздуха зимой падает до - 40 0С, отопление всех помещений можно производить за счет прямого поступле­ния солнечной энергии (около 59 %), электроприборами (33 %) и вследст­вие излучения тепла находящимися внутри этого здания людьми (8 %). Из приведенных данных следует также, что использование прямой солнечной энергии - это один из наиболее эффективных и дешевых способов обогре­ва помещений жилищ, который применяется человеком в той или иной форме на протяжении тысячелетий. Еще один, относительно новый, высо­коэффективный способ отопления - отопление за счет сжигания природно­го газа (контактные водонагреватели, специальные горелки и т. п.). Инте­ресно также мнение западных специалистов по использованию тепловых насосов - агрегатов, способных утилизировать сбросную низкопотенци­альную теплоту с температурой от 30 0С, по принципу работы которые аналогичны обычному бытовому холодильнику, но при этом тепловой на­сос должен отдавать как можно больше тепловой энергии, например, сис­теме отопления. Опыт показал, что отапливать помещение с помощью теп­лового насоса выгодно, пока температура воздуха снаружи не опустится

ниже - 15 0С, когда тепло начинает производиться за счет электрического сопротивления, а это уже, как показано выше, весьма затратно.

Рис. 4.3. Практические КПД при различных способах отопления закрытых

помещений (домов):

1- абсолютно герметичный дом (100 % теплоснабжения); 2 - прямое солнечное излучение (100 % теплоснабжения); 3 - прямое солнечное излучение (50 % теп­лоснабжения) плюс высокоэффективное газовое теплоснабжение; 4 - высокоэффективное газовое теплоснабжение; 5 - отопление за счет электри­ческого сопротивления (электроэнергия вырабатывается на ГЭС); 6 - обычное газовое теплоснабжение; 7 - прямое солнечное излучение (50 % теплоснабже­ния) плюс высокоэффективная дровяная печь (50 %); 8 - нефтяное отопление; 9 - электрический тепловой насос (электроэнергия вырабатывается на угольной электростанции); 10 - высокоэффективная дровяная печь; 11 - активная солнеч­ная энергия; 12 - электрический тепловой насос (электроэнергия вырабатывается на АЭС); 13 - обычная дровяная печь; 14 - теплоснабжение за счет электриче­ского сопротивления (электроэнергия вырабатывается на угольной электростан­ции); 15 - теплоснабжение за счет электрического сопротивления (электроэнер­гия вырабатывается на АЭС).

Отсюда можно определить как бы третий вид потерь энергии - неце­лесообразное использование высококачественной энергии для выполнения тех задач, которые можно выполнить с помощью низкокачественной энер­гии. Попробуем сформулировать «золотое» правило энергетики: качество выбираемого типа энергии должно соответствовать поставленным задачам, или, иными словами, чем больше количество ступеней в про­цессе преобразования энергии, тем ниже ее практический КПД.

Несомненно, могут быть исключения из указанного здесь правила. Но, по нашему мнению, чем мощнее источник высококачественной энер­гии и чем дальше от него расположены потребители энергии, тем более при относительно низкой температуре требуемого для них тепла, именно данным правилом следует руководствоваться при выборе варианта энерго­обеспечения объекта как промышленного, так и коммунального назначе­ния. Отсюда вытекают несколько следствий:

• концентрирование производства высококачественной энергии на круп­ных источниках вступает в противоречие со вторым законом термоди­намики;

• чем выше мощность источника энергии, тем выше его энтропийный по­тенциал;

• любая централизация энергообеспечения (централизованные системы теплоснабжения, единая энергетическая система и т. д.), несмотря на все преимущества, способствует росту масштабов беспорядка в окружаю­щей среде.

Еще одна особенность нашего современного общества - масштаб­ное и повсеместное использование устройств с громадными потерями энергии:

• лампы накаливания (КПД 5 %, соответственно потери энергии 95 %);

• машина или трактор с двигателем внутреннего сгорания (КПД 10 % от энергии, заключенной в горючем);

• высокотемпературная ковка металла в кузнице (КПД 12 %);

• строительство плохо изолированных домов, где тепло может удержи­ваться не более нескольких минут;

Ситуация усложняется еще тем, что сооружаются сотни тысяч паро­вых котельных, которые могли бы при незначительных дополнительных инвестициях быть мини-ТЭС с комбинированной выработкой тепловой и электрической энергии (метод когенерации). В этом случае не потребова­лось бы строительства в России, по крайней мере, 100 крупных ТЭС и ТЭЦ, а может быть, и АЭС, снизилась бы стоимость электроэнергии и др.

Соответственно были созданы и сохраняются условия для увеличе­ния количества отходов тепла и веществ, поступающих в окружающую среду и способствующих повышению ее энтропии.

Современные государства с развитой промышленностью представ­ляют собой генераторы энтропии, «работа» которых не только снижает ус­тойчивость окружающего мира, но и способствует ее нарушению. Для та­кого беспокойства есть теоретическая основа. Закон сохранения вещества можно определить следующим образом: по мере роста объемов и геогра­фии промышленного производства все большее количество людей возрас­тающими темпами будут наращивать использование ресурсов, способство­вать загрязнению окружающей среды тепловыми и вредными отходами. В результате неизбежно способность окружающей среды рассеивать и раз­рушать выброшенные вещества и поглощать низкотемпературное тепло будет нарушена на всех уровнях: локальном, местном и глобальном. Не хочется, чтобы нас обвинили в каком-нибудь неомальтузианстве (учение, утверждавшее, что причина всех бед человечества есть результат «абсо­лютного избытка людей»).

Речь идет о том, что чем настойчивее человечество будет пытаться покорить природу, тем быстрее, согласно второму закону термодинамики, в окружающей среде накапливаются низкокачественное тепло и отходы и, уже в соответствии с законами сохранения вещества и энергии, тем раньше мы достигнем пределов своего роста, конкретные параметры которых оп­ределяются возможностями природы воспроизводить изъятые у нее биоло­гические ресурсы.

Основываясь на тех же физических законах, описывающих поведе­ние энергии и вещества, следует считать наиболее перспективной моделью обеспечения устойчивого развития общества, сохранения окружающей среды и ее ресурсов снижение энтропии при обеспечении принципов, с помощью которых осуществляется устойчивое развитие живых организ­мов в природе.

Реализация данной модели развития общества заключается главным образом в том, что количественное увеличение энергетического бюджета каждого человека общество должно обеспечивать при все меньших удель­ных затратах энергии:

• уменьшении затрат энергии на единицу валового внутреннего продукта;

• экономном использовании тепла для промышленных нужд и ото­пления;

• исключении применения без особой необходимости высококаче­ственных видов энергии;

• переходе к производству продукции более удобной для повторно­го использования и ремонта;

• вовлечении в оборот возобновляемых источников энергии и др.

Причем история развития современного общества показывает, что

введение ограничений потерь энергии и ресурсов и недопущение нежела­тельных входных воздействий в природную среду с позиций термодина­мики и экономики оказывается более оправданным подходом, чем кон­троль последствий и исправление случившегося. Отсюда следует, что энергетическую эффективность можно рассматривать как ресурс. За счет уменьшения количества используемой энергии сокращаются необходимые для новых энергоисточников инвестиции или же появляется возможность закрыть убыточные и/или опасные для шахтеров угольные шахты. И если объемы экспорта первичной энергии из России будут в основном ограни­чиваться величинами сэкономленного за счет энергосбережения топлива, то наши потомки вряд ли будут к нам в претензии за расточительное от­ношение к имеющимся запасам органического топлива.

Иными словами, энергосбережение есть объективная реальность. И именно через энергосбережение в долгосрочной перспективе наилучшим вариантом решения проблем устойчивого развития является переход к природосберегающему обществу. Основой такого общества является по­вышение эффективности использования энергии, переход на возобновляе­мые ее источники, сокращение ненужных затрат и потерь энергии, рецир­куляция и вторичное использование ресурсов вещества, а также сокраще­ние производства отходов и необязательного потребления ресурсов веще­ства, при разработке мер по контролю роста населения.

Необходимым условием перехода на энергосберегающий путь раз­вития является понимание каждым из нас того, что мы можем и не можем делать, используя ресурсы вещества энергии, и умение ответственно реа­лизовать эти знания в своей жизни.