Книга является учебным пособием для студентов и магистров



Pdf просмотр
страница1/11
Дата11.02.2017
Размер5.43 Mb.
Просмотров724
Скачиваний0
ТипКнига
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11



УДК 620.9:502.174
ББК 31.19 я 73
К78
Краснянский М. Е.
К 78 Энергосбережение.
Учебное пособие. Харьков Бурун КНИГА, 2014. — 126 с.
ISBN 978-966-8392-34-7

Книга является учебным пособием для студентов и магистров любых технических
специальностей. Содержит подробную и глубокую качественную и количественную оценку передовых достижений энергосбережения и возобновляемых источников энергии
(ВИЭ), а также новейшие мировые тенденции и разработки в области энергосбережения и
ВИЭ. Содержит большое количество таблиц и цветных иллюстраций.

УДК 620.9:502.174
ББК 31.19 я 73
© Краснянский М. Е, 2014
ISBN 978-966-8392-34-7 © ООО Издательство Бурун Книга, 2014

2
УДК 620.9:502.174
ББК 31.19 я 73
К78

ОГЛАВЛЕНИЕ


1. Введение

4
2. Мировой баланс энергии

11
3. Снижение энергоемкости производств за счет модернизации
технологических процессов
17
3.1. Металлургическое производство

17
3.2. Нефтепереработка

19
3.3. Когенерация

19
3.4. Чистый уголь»

21
3.5. Сельскохозяйственные предприятия
22
3.5.1. Искусственное мясо
24
3.6. 3D-принтеры

25
4. Утилизация вторичных энергоресурсов (ВЭР) за счет

неиспользуемых потоков энергии

27
4.1. Остаточное тепло (энергия) отходящих газов и паров в технологических
процессах

27
4.2. Попутный нефтяной газ
30
4.3. Производственные паропроводы

31
4.4. Потери электроэнергии
31
4.5. Транзит природного газа

36
4.6. Энергия шахтных вод
37
4.7. Тепло нагретых поверхностей

39
4.8. Неиспользованные пищевые потоки

40
5. Утилизация вторичных энергоресурсов (ВЭР) из отходов

42
5.1. Угольные и нефтяные шламы
42
5.2. Водоугольное топливо (ВУТ)
47
5.3. Отходы животноводства и птицеводства, городские отходы

50
5.4. Шахтный метан

53
5.5. Бурые угли

54
5.6. Древесные и растительные отходы

57
6. Энергия солнца, ветра и воды

61
6.1. Солнечная энергия

62
6.2. Энергия ветра

67
6.3. Малая гидроэнергетика

69
6.4. Геотермоэнергетика

74
7.
Альтернативный транспорт

76
7.1. Гибриды

77
7.2. Водородомобили

78

3
7.3. Топливные элементы

81
7.4. Электромобили

82
7.5. Зеленые aвиалайнеры и морские суда

85
7.6. Прочий альтернативный транспорт

87
7.7. Альтернативы моторному топливу

90
7.8. Ионный двигатель
92
8. Жилищно
-
коммунальное хозяйство

94
8.1. Нулевые дома

94
8.2. Отопление и горячая вода от районной котельной

96
8.3. Утепление стен

98
8.4.
Электронагреватели и теплонакопители
99
8.5. Отопление тепловыми насосами

102
8.6. Тепло вентиляционных потоков
106
8.7. Освещение
106
8.8. Низкоэнергетическая бытовая техника
107
8.9. Напор воды в кране

108
8.10. Опыт ЖКХ США
108
9.
Экологичная

ядерная энергетика

как альтернатива
ископаемым углеводородам

111
9.1. Ядерные технологии на быстрых нейтронах

111
9.2. Торий-урановый цикл

113
9.3. Реакции ядерного синтеза
114
10.
Экономика энергосбережения

117
10.1. Энергоаудит

117
10.2. Разработка Программы энергосбережения

119
10.3. Методика оценки экономической эффективности мероприятий по
энергосбережению

120
Заключение
:
Третья Промышленная Революция

123
Список использованной литературы 126









4
1.

Введение

Энергия – фундаментальная основа эволюции нашей цивилизации, и XXI век ставит перед мировой энергетикой серьезные задачи по обеспечению устойчивого развития человечества. Все страны - страны-производители и страны-потребители, бедные и богатые - интересует один важнейший вопрос надежное обеспечение глобальной экономики энергоресурсами, необходимыми для устойчивого экономического роста, по ценам, отражающим основные экономические принципы, и с минимальным ущербом для окружающей среды. Однако большинство стран мира (Украина в первую очередь) не имеет достаточных собственных энергоресурсов и вынуждены тратить значительную и всё возрастающую часть своего бюджета на их закупку и транспортировку. С другой стороны, рост благосостояния населения, к чему, собственно, стремится правительство любой цивилизованной страны, неизбежно ведет к росту душевого потребления электроэнергии и моторного топлива. Это противоречие способно устранить лишь государственная политика ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ.
Энергосбережение и энергоэффективность приобретают все более важное значение для любой страны, поскольку они являются одними из важнейших элементов энергетической политики также, для стран, не имеющих достаточных собственных энергоресурсов – они являются еще и частью государственной безопасности. Энергосбережение - мощный фактор экономического развития, т.к. всегда быстрее, дешевле и экологичнее осуществить меры по экономии энергии, чем увеличить ее производство (например, построить новую ГЭС или АЭС. Кроме того, энергосбережение является весомым фактором улучшения состояния окружающей природной среды и торможения глобального потепления - уменьшение сжигания природных энергоносителей приведет к снижению загрязнения атмосферы токсичными и парниковыми газами (так наз. "декарбонизация экономики, прекращению отравления реки морей, а также к уменьшению складирования опасных отходов (см. рис.

Рис. 1.1. Корреляция между количеством сжигаемого топлива и глобальным
потеплением, а также убытками от природных катастроф

5

Понимание важности энергосбережения пришло к ученым не сегодня и даже не вчера. Выдающийся русский физик НА. Умов еще в 1912 г. (!) писал В 1910 г. из добытых в мире
1250 млн тонн угля 50% пошло на производство силы (имеется ввиду пари электричество –
М.К.), 30% - на отопление, около 20% - на металлургию и др. промышленность, 3% - на производство света. При этом, при производстве силы излишние траты составили 600 млн тонн угля, в отоплении – 150 млн тонн, при освещении – 25 млн тонн. Всего излишне потрачено 1000 млн (один миллиард) тонн угля, те около 80% от всего добытого угля. Отсюда вытекает особая важность и настоятельная необходимость поднятия кпд тепловых машин - см. рис. 1.2.

Рис.1.2. Диаграмма потоков энергии при работе тепловой электростанции (ГРЭС)
(цифры означают проценты)
На рис. 1.2 приведена диаграмма потоков энергии при работе тепловой электростанции ГРЭС. Это так называемая конденсаторная электростанция, в которой вода в котле превращается в пар с температурой примерно 500°C и давлением 20 МПа, затем пар направляется на турбину с генератором на оси для выработки электроэнергии, расширяется и далее конденсируется вводу (те. ГРЭС производит только электроэнергию. Из рис. 1.3 видно, что общие потери составляют (100-32) = 68%, а наибольшие потери тепла происходят в конденсаторе (54%), где отработанный пар после турбины конденсируется вводу и возвращается в оборот. Ясно, что для сокращения потерь немалое остаточное тепло отработанного пара и него конденсата необходимо утилизировать. Общий кпд тепловой электростанции – лишь 32%. Это означает, что из каждых трех тонн сжигаемого на ней угля
– две тонны сжигаются БЕСПОЛЕЗНО.
Как упомянуто выше, для характеристики степени использования энергетических ресурсов в технологических процессах и установках применяется КПД (%):
Э
Э
п и п,



где
Э
пи
- количество используемой энергии
Э
п
- количество подведенной энергии к данной установке. В общем случае КПД данного технологического процесса или установки определяется по формуле

6 т п д т пр.э тр.э пр.м р м,


где д т- КПД добычи, транспорта и переработки топлива пр.э
- КПД производства энергии (тепло, электрическая энергия тр.э
- КПД транспорта энергии пр.м
- КПД приводов механизмов р м - КПД рабочей машины, технологического агрегата. При использовании в данном технологическом процессе нескольких видов энергоносителей суммарный энергетический КПД рассчитывается по выражению т п т п
(
)
i
i
i
n
1
,


где т п i
- энергетический КПД для данного вида энергоносителя
i
- доля данного энергоносителя в общем ЭБ рассматриваемого технологического процесса. Энергетический КПД данного технологического агрегата, рабочей машины, использующей тепло, определяется следующим образом т п п
п.эр т
экз пр
i
Q
Q
Q
Q
Q
,


где
Q
п
- полезно используемое тепло в технологическом агрегате
Q
п.эр
- тепло побочных вторичных) энергоресурсов, применяемое в данном технологическом агрегате
Q
т
- тепло, вносимое топливом
Q
экз
- тепло экзотермических реакций
Q
пр
- тепло, подведенное с другими энергоресурсами (электроэнергия, пари т.д.). Полезное использование первичных энергетических ресурсов в технологических процессах колеблется в широких пределах (%): Силовые процессы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20-35 Высокотемпературные процессы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-45 Средние и низкотемпературные процессы . . . . . . . . . . . . . . . . 30-65 Электрохимические процессы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-25 Освещение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . …… 2-5
Имеется еще очень наглядная величина – эксергия. Эксергия - это часть энергии, равная максимальной полезной работе, которую может совершить термодинамическая система при переходе изданного состояния в состояние равновесия с окружающей средой. Эксергией иногда называется работоспособность системы. Эксергетический КПД определяется по формуле экс затр пот затр ид ид пот
Е
Е
Е
Е
Е
Е
,

где
Е
затр
- величина затраченной эксергии
Е
пот
- потери эксергии
Е
ид
- затраты эксергии при идеальном ведении технологического процесса. При использовании в технологическом процессе ряда энергоносителей и получении разнообразных видов продукции оценку

7 степени совершенства процесса целесообразно проводить по эксергетическому КПД.
Эксергетический КПД «
η
» может быть представлен в следующем виде экс ид ид н
т т
ид н
ид
Е
Е
Е
Е
Е Е
Е Е
1 1
, где
Е
Е
н т - собственные (неизбежные) и технические потери эксергии в технологическом процессе.

Природные ресурсы энергии









эле
к
тр
омаг
н
и
тн
ое

п
оле
З
емли


де
й
те
р
и
й
(
те
р
мо
яд
ер
-
н
ая
эн
ер
ги
я)







зе
мн
ая
к
ор
а

газ

н
еф
ть

уг
оль
, т
ор
ф

ур
ан
, т
ор
и
й

солн
ц
е
ве
те
р

р
ек
и
, мо
р
я,

ок
еан
ы




уг
оль
н
ые
и

н
еф
тян
ые

ш
ламы

ор
ган
и
ч
. от
ход
ы

р
еве
сн
ые
,
се
ль
-
хоз.
, бы
товые
)

()
))
))
от
ход
ы

газы
(
уг
оль
н
ый

ме
тан
,
д
оме
н
.
и

к
ок
с.
г
аз
ы
,
би
ог
аз
,
н
еф
те
ф
ак
елы
)
би
от
оп
ли
во
, п
елле
ты

лю
бое
ос
тат
оч
н
ое

те
п
ло

п
р
ои
звод
ст
в.

п
р
оц
ес
сов

от
р
абот
. яд
ер
н
ое

топ
ли
во
(ОЯТ
)
Рис. 1.3. Природные ресурсы энергии
Существуют различные типы классификации самой энергии (см. рис. 1.3 и табл. 1.1). Так, энергию подразделяют на первичную (уголь, нефть, газ, урана также альтернативные энергоносители) и преобразованную (произведенную из первичной) - тепло, пар, электрическую, механическую – в двигателях - и др. Сами же первичные энергоносители делятся на исчерпаемые (те. ископаемые - уголь, нефть, газ, уран) и
ИСЧЕРПАЕМЫЕ
НЕИСЧЕРПАЕМЫЕ
ВТОРИЧНЫЕ

8 неисчерпаемые - солнце, ветер, геотермальные воды (теплота земной коры, потоки рек, океанские приливы и др. Кроме того, существует понятие «вторичная энергия (или
«вторичные энергоресурсы, т.е. энергия, подлежащая утилизации – это остаточное
(низкопотенциальное) тепло технологической воды или пара, различные органические отходы, пригодные для сжигания, так наз. попутные газы – шахтный метан, биогаз полигонов ТБО, факелы нефтепромыслов и др. (см. рис. 1.3).
Табл. 1.1. Виды первичной и преобразованной энергии

Виды первичной энергии
Соответствующие им виды
преобразованной энергии
1 Уголь Электроэнергия, пар, кокс
2 Нефть Бензин, керосин, дизельное топливо, мазут
3 Природный газ Электроэнергия, тепло
4 Уран-238, торий Электроэнергия, тепло
5 Реки, моря, океаны Электроэнергия
6 Солнце, ветер Электроэнергия
Важным для понимания проблемы энергосбережения является второе начало (закон) термодинамики согласно ему, при преобразовании одного вида энергии в другой например, тепло-электричество или бензин-вращение колеса) всегда происходит уменьшение количества полезной энергии ив целом, снижение ее качества. Второе начало термодинамики записывается dQ TdS , где Q – теплота, Т – температура (К, S - энтропия. Те, в любой системе вся энергия не может быть потрачена на выполнение полезной работы, часть ее (к сожалению, как правило, бóльшая) рассеивается в виде низкопотенциальной (низкокачественной) бесполезной энергии (тепла, повышая энтропию а значит – неупорядоченность) окружающей среды. В технологических процессах доля полезной работы измеряется кпд - коэффициентом полезного действия увы – кпд производственных процессов намного ниже 50% (см. рис. 1.2). Таким образом, задача энергосбережения – во-первых, увеличить долю полезной энергии, те. кпд процессов, во- вторых, уменьшить нагрев окружающей среды низкопотенциальным теплом (что приводит к увеличению ее энтропии) путем его утилизации.
Однако понятие энергосбережения гораздо шире, чем только усовершенствование производственных процессов. Энергосбережение включает в себя:
1) Переход от ископаемого топлива к возобновляемым источникам энергии
2) Полная замена бензиновых и дизельных транспортных средств электрическими
или водородными средствами или другим альтернативным транспортом
3) Утилизация всех видов вторичной (низкопотенциальной) тепловой и
кинетической энергии
4)
Увеличение энергетической эффективности использования всего ныне
эксплуатируемого оборудования и действующих технологических процессов
5) Развитие и внедрение "энергосберегающих" экономических законов и стимулов.
По оценкам Международного Энергетического Агентства (МЭА) перечисленными выше путями кг. человечество сможет сэкономить около 90 ЭДж («экса» – это 10 18
), в

9 т.ч.: здания – 34%, транспорт – 24%, промышленность – 20%, оборудование – 13%, освещение – 10%; те. экономия здания + транспорт – это более 50%.

Например, при сохранении текущих тенденций кг. лампы накаливания потребят 1600 млрд кВт·час электроэнергии. Если все эти лампы будут заменены на компактные люминесцентные лампы, а тем более на светодиоды, это позволит сэкономить кг млрд кВт·час; в итоге это уменьшило бы мировые расходы только на освещение на 1,3 триллиона долларов и позволило бы избежать 6,4 млрд тонн выбросов CO
2
. Еще пример в большинстве развитых странна бытовые приборы, являющиеся одним из факторов быстрорастущего количества потребляемой энергии, приходится более 30% энергопотребления. Считается, что как минимум одна треть этого количества может быть сэкономлена кг. путем создания низкоэнергетических холодильников, кондиционеров, стиральных машин и др. (см. раздел
8.8).
Любые энергосберегающие проекты считаются обоснованными, если они способны привести к экономии большого количества энергии при низких затратах и с существенными экономическими преимуществами для потребителей они направлены на преодоление существующих недостатков или барьеров рынка, позволяя инвесторам принимать обоснованные решения и получать существенную выгоду от своих инвестиций они помогают устранить значительные пробелы в энегетической безопасности государства относительно них существует некий консенсус о том, что согласованные на международном уровне проекты энергосбережения сократят расходы как правительств, таки производителей и потребителей.
Одним из множества препятствий к принятию решения в пользу экономически целесообразных инвестиций в энергосбережение является значительная нехватка
Рис. 1.4. Потребление энергии на единицу ВВП
(данные British Petroleum)

10 осведомленности и отсутствие обучения специалистов финансовых организаций по вопросам возможностей энергоэффективных технологий, наряду с опасениями высоких рисков осуществления инвестиций в эти технологии.
В международной практике важным критерием, определяющим уровень развития и экономической стабильности государства является энергоемкость валового внутреннего продукта (см. рис. 1.4) Э (кг у.т./долл.), которая определяется выражением
Эввп = А + 0,172W + 0,364Q]/ВВП (кг у.т./долл.), где А – потребление топлива, кг условного топлива (у.т.), W – потребление электроэнергии, тыс.кВт•ч, Q потребление теплоэнергии, Гкал. Коэффициенты перед W и Q определяют перевод (Гкал) и (кВт•ч) в (у.т.) с учетом средних значений кпд установок по выработке теплоэнергии и электроэнергии. Как видно из рис, общемировая тенденция – резкое снижение энергоемкости продукции ведущими странами мира.
В настоящее время по энергоэффективности Украина находится на достаточно низком уровне среди стран мира, особенно по энергоемкости ВВП, которая составляет около 1 кг нефтяного эквивалента (н.э.)/$, что более чем в 4 раза выше чем в развитых странах. Кстати, представляет также интерес сравнительный расчет выброса парниковых газов (CO
2
) в духе Киотского Протокола (см. табл. 1.2).

Таблица 1.2. Сравнительный расчет удельных выбросов CO
2

(данные 2012 г)

Страна
Доля
населе
ния
Земли
Мировой ВВП
(ППС)
Выбросы CO
2

% CO
2
на
1% ВВП
(в отн.ед.)
трлн
дол.
%
млрд
т/год
%
США
4,4%
15,5 18,7 6,1 17,4
0,93
Китай
21,0%
8,0 9,6 9,0 25,7
2,7
Россия
2,0 2,5 3,0 2,6 7,4
2,5
Украина
0,7%
0,18 0,2 0,35 1,0
3,5
Всего в мире 7 млрд
83 35,0
Изданных табл. 1.2 (см. последний, правый столбец) еще раз хорошо видно, что на единицу своего ВВП Россия, а особенно Украина сжигают огромное количество энергоносителей, разорительное для экономики, губительное для окружающей природной среды.
В 2009 г. в России был принят федеральный закон Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности в котором заявлено Целью настоящего Федерального закона является создание правовых, экономических и организационных основ стимулирования энергосбережения и повышения энергетической эффективности.
В 1998 г. был принят Закон Украины Про ратифікацію Договору до Енергетичної Хартії та Протоколу до Енергетичної Хартії з питань енергетичної ефективності і суміжних екологічних аспектів”, и далее был принят широкий ряд энергосберегающих законов и постановлений.
Таким образом, существует огромный потенциал для повышения энергоэффективности как российской, таки украинской промышленности, транспорта и коммунального сектора.


11


Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11


База данных защищена авторским правом ©nethash.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал