Министерство энергетики Республики Беларусь Государственное производственное объединение по топливу и газификации «Белтопгаз» Учреждение образования «Государственный институт повышения квалификации и переподготовки кадров в области газоснабжения «ГАЗ-ИНСТИТУТ» ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ КРАТКИЙ КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ Учебно-методический материал в помощь слушателям повышения квалификации и переподготовки ПОДГОТОВИЛ: КЛЕВЗОВИЧ В.И. МИНСК 2008 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………………….. 3 ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС…………………………………………. 3 АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА……………………………………………………………….. 12 ЖИЛИЩНО-КОМУНАЛЬНОЕ ХОЗЯЙСТВО…………………………………………. 13 ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ…………………………………………………………………….. 15 ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ……………………………………………………………….. 17 КОГЕНЕРАЦИОННЫЕ УСТАНОВКИ……………………………………………………. 19 ЛИТЕРАТУРА………………………………………………………………………….. 20 ПРИЛОЖЕНИЯ Приложение 1. Понятие условного топлива, единицы измерения…………………………….. ………………. 21 Приложение 2. Используемые термины и определения…………………………………. 22 2 ВВЕДЕНИЕ В 1973-1976 годах страны Западной Европы, США, Японии пережили энергетический кризис, что заставило их проводить активную энергосберегающую политику: высокие цены на энергоресурсы послужили толчком к внедрению энергоэффективных технологий, т. е. заработали рыночные механизмы. С другой cтороны, на правительственном уровне принимались согласованные программы по энергосбережению. Проводилось и проводится финансовое стимулирование для поощрения внедрения инноваций, передовых энергосберегающих технологий, инвестиций в эффективное использование энергии. В результате к 1990 году в странах Западной Европы, США, Японии объем потребления энергии на душу населения практически стабилизовался, в то время как объем национального продукта вырос на 3040%. Как известно, в конце 70-х годов прогнозировалось мировое энергопотребление на 2000 год ≈ 30 млрд. т у.т., т. е. практически в 2 раза больше, чем оказалось. Основной вклад в решение энергетической проблемы внесло не наращивание производства первичных энергоресурсов, не расширение номенклатуры источников энергии, а энергоэффективное использование ТЭР. Анализ опыта этих стран показывает, что без государственной политики и программ энергосбережения выйти из энергетического кризиса невозможно. Эти задачи решает энергосбережение организационная, научная, практическая, информационная деятельность государственных органов, юридических и физических лиц, направленная на снижение расхода (потерь) ТЭР в процессе их добычи, переработки, транспортировки, хранения, производства, использования и утилизации. Закон РБ «Об энергосбережении». (ТЭР совокупность всех природных преобразованных видов топлива и энергии0. Согласно последним прогнозам, в структуре мирового потребления ТЭР к 2020 году за счет энергосбережения будет покрываться 910%, а вместе с возобновляемыми источниками 1214%. ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС Электроэнергетика Беларуси — ключевая, жизнеобеспечивающая система для всех отраслей и субъектов экономики, а также населения. Она является структурообразующим элементом народнохозяйственного комплекса и гарантирует целостность и эффективность его работы. От энергетической составляющей в значительной степени зависят издержки производства и доходы общества, его материальное благосостояние, взаимоотношения человека с окружающей природой. Энерговооружённость экономики и её энергоэффективность в современном мире являются важными показателями уровня развития государства. На сегодняшний день доказанные мировые запасы основных ископаемых видов топлива составляют:— 1100 млрд. тут, в т.ч. уголь — 680 млрд. тут, газ — 200 млрд. тут, нефть — 220 млрд. тут. По уровню потребления 2006 г., обеспеченность разведанными запасами газа составляет - 70 лет, нефти - 40 лет, угля – 200 лет, урановой руды - 85 лет. Потенциальные запасы органического топлива оцениваются в 7 трлн. т у.т. Солнечное излучение на планету Земля ежегодно составляет 84 трлн. т у.т. = 2,5∙1024 Дж. В мире суммарное потребление ТЭР в 2006 г. оценивалось величиной 15,8 млрд. т у.т. (11 млрд. тонн нефтяного эквивалента). Обеспечение первичными энергоресурсами играет ключевую роль в мировой энергетике. Из всех видов энергетических ресурсов органического происхождения (нефть, газ и уголь, составляющие до 85% первичных энергоресурсов) наибольшую тревогу вызывает ресурсная база обычных видов нефти, доля которых составляет до 38% объема потребления первичных энергоресурсов. Учитывая крайне неравномерное распределение в мире запасов обычных видов нефти (до 79% запасов сосредоточены в странах ОПЕК) и дальнейшее наращивание объемов потребления, уже к 2050 году можно ожидать значительного исчерпания ее запасов. В принципе начало истощения за3 пасов нефти может наступить и гораздо раньше – к 2030 году, если принять во внимание колоссальный объем наращивания ее потребления: с 4250 млн. тонн в 2005 году до 6000 млн. тонн в 2030 году, как об этом говорится в прогнозе администрации в области энергетической информации Министерства энергетики США (Energy Information Administration of DOE, US). Согласно докладу, опубликованному британской нефтяной компанией British Petroleum, мировых запасов нефти хватит еще на 40 лет. Об этом сообщает Интерфакс. По данным компании, крупнейшими нефтяными запасами в 262,7 млрд. баррелей обладает Саудовская Аравия, что составляет 22,9% от всех мировых запасов. На втором месте находится Иран с объемом запасов в 130,7 млрд. баррелей (11,4%), на третьем - Ирак (115 млрд. барелей и 10%). Ближний Восток хранит 63,3% мировых запасов нефти, Европа и Центральная Азия - 9,2% (из них 6%, или 69,1 млрд. баррелей запасов находятся в России). Африке принадлежит 8,9% нефтяных запасов, Латинской и Центральной Америке - 8,9%, Северной Америке - 5,5%, Юго-Восточной Азии и Океании - 4,2% мирового нефтяного богатства. Распределение разведанных запасов нефти по регионам: ЮгоВосточная Азия-4,2% Южная Африка-8,9% АвстралияАмерика-8,6% 0,3% Северная Америка-5,5 Россия-6,5% Западная Европа-2,7% Ближний Восток-63,3% Страны-лидеры по запасам нефти Страна Запасы, млрд. баррелей Запасы, в % от мировых Саудовская Аравия 262,7 22,9% Иран 130,7 11,4% Ирак 115,0 10,0% Всего 508,4 63,3% Снижение добычи нефти в долгосрочной перспективе на какой-то период можно компенсировать наращиванием добычи природного газа, являющегося наиболее экологически чистым из органических видов топлива. По данным того же американского источника, на 01.01.2006 года доказанные мировые запасы природного газа оцениваются на уровне 173,09 трлн. куб. м и еще не открытые запасы – на уровне 119,53 трлн. куб. м. Обеспеченность запасами газа в мире составляет около 64 лет. Несмотря на это, озабоченность вызывает проблема неравномерного распределения имеющихся запасов природного газа по отношению к рынкам сбыта. Основные запасы природного газа в 100,88 трлн. куб. м, или 58,3%, сосредоточены в трех странах: в России – 47,58 трлн. куб. м (27,5%), Иране – 27,50 трлн. куб. м (15,9%), Катаре – 25,80 трлн. куб. м (14,9%). Соответственно 4 эти страны имеют наиболее высокую обеспеченность запасами газа: Россия – 74 года, Иран – 227 лет и Катар – 680. К наименее обеспеченным запасами газа относятся следующие регионы и страны: страны Западной Европы – 11 лет, КНР – 9,8, Канада – 8,9, СА – 8,5 и Япония – 0,5 года. Распределение разведанных запасов газа по регионам: ЮгоВосточная Азия- 8% Южная Америка- 9% Ближний Восток- 37,5% Северная Америка- 6% Россия- 27,5% Западная Европа- 3% Страны-лидеры по запасам природного газа Страна Запасы, трлн. м³ Запасы, в % от мировых Россия 47,58 27,5% Иран 27,50 15,9% Катар 25,80 14,9% Всего 609,28 58,3% http://www.ng.ru/energy/2006-09-12/9_stavka.html Распределение мировых запасов энергоресурсов по регионам: Страна Африка Австралия Ближний Восток Западная Европа Россия Северная Америка Юго-Восточная Азия Южная Америка Уголь, % 9 9 5 6 17 28 24 2 Нефть, % 8,9 0,3 63,3 2,7 6,5 5,5 4,2 8,6 Распределение мировых запасов угля по регионам: 5 Газ, % 9 37,5 3 27,5 6 8 9 Южная Америка-2% ЮгоВосточная Азия-24% Африка-9% Австралия-9% Ближний Восток-5% Северная Америка-28% Западная Европа-6% Россия-17% Страны-лидеры по запасам каменного угля Страна Запасы, млрд. т Запасы, в % от мировых США 246,6 25% Россия 157,1 16% Китай 114,5 12% Всего 518,2 53% Уран очень широко распространен в земной коре. Однако выгодно разрабатывать те месторождения, которые содержат не менее 0,1% урана в руде. По данным МАГАТЭ разведанные запасы такого урана составляют 2,3 млн. т. Первое место в мире по разведанным запасам занимает Австралия – 40 %. За ней идут Казахстан и Канада. В этих трех государствах сосредоточены около половины мировых запасов урана. Кроме них, в первую десятку входят (в порядке убывания) Узбекистан, ЮАР, Бразилия, Намибия, США, Нигер, Россия. Страны-лидеры по запасам урана Страна Запасы, тыс. т Запасы, в % от мировых Австралия 920 40% Канада 184 8% Казахстан 161 7% Всего 1265 55% Практически во всех государствах мира, и дефицитных, и избыточных по запасам энергоносителей, в топливном балансе присутствуют три вида органического топлива — нефть, газ, уголь. При этом доля каждого из этих видов не превышает 50%, что подтверждает необходимость диверсификации видов топлива в балансе и нашей республики (табл. 1 и табл.2). 6 Таблица 1. Динамика и структура мирового потребления первичных энергоресурсов. 2030 г., % Наименование 1971 г., 1971 г., % 2000 г., 2000 г., % 2030 г., к итогу к итогу показателей млн. тут. к итогу млн. тут. млн. тут. Всего 8 029 100,0 14 488 100,0 23 410 100,0 в т.ч.: нефть 3 515 43,8 5 175 35,7 8 284 35,5 уголь 2 082 25,9 3 382 23,3 5 178 22,1 газ 1 285 16,0 2 994 20,7 6 036 25,8 атомная энергия гидроэнергия 42 149 0,5 1,9 968 327 6,7 2,3 1 010 526 4,3 2,2 возобновляемые энергоресурсы биомасса и отходы 105 1,3 335 2,3 887 3,8 850 10,6 1 307 9,0 1 486 6,3 Таблица 2. Структура потребления энергоресурсов по отдельным государствам мира в 2005 г., % Страна Нефть Природный газ Уголь АЭС ГЭС Всего Болгария 24,6 14,3 36,5 20,7 3,9 100,0 Чешская Республика 22,3 17,3 46,2 12,6 1,6 100,0 Дания 52,9 26,2 20,9 0,0 0,0 100,0 Финляндия Франция Германия 43,0 35,5 37,5 14,1 15,5 23,9 9,8 5,0 25,3 21,0 39,1 11,4 12,1 4,9 1,9 100,0 100,0 100,0 Венгрия 28,2 48,6 10,8 12,4 0,0 100,0 Польша Великобритания Япония 23,9 36,6 46,6 13,3 37,4 13,9 61,8 17,2 23,1 0,0 8,1 12,6 1,0 0,7 3,8 100,0 100,0 100,0 Южная Корея 41,5 9,6 38,1 9,0 1,8 100,0 Весь мир 36,4 23,5 27,8 6,0 6,3 100,0 Данные о потреблении энергоресурсов в Республике Беларусь приведены в таблице 3. Таблица 3. Потребление энергоресурсов в Республике Беларусь в 2005 г. млн. т у.т. Виды энергоресурсов % Газ природный, включая газ попутный Газ сжиженный 23,41 0,35 77,85 1,16 Газ НПЗ Мазут Уголь, включая кокс МВТ, в том числе: торф, лигнин дрова прочие виды МВТ Итого котельно-печное топливо 0,63 1,74 0,21 0,67 1,33 0,60 28,94 2,10 5,79 0,70 2,23 4,41 2,00 96,24 Чистый импорт электроэнергии Всего 1,13 30,07 3,76 100,0 7 Структура энергопотребления в РБ за 2006г. Прочие МВТ-2% Импорт электроэнергии 3,9% Дрова- 4,4% Торф,лигнин -2% Уголь- 1% Мазут - 6,3% Газ - 80,4% В настоящее время около 85% потребляемой в стране электроэнергии вырабатывается на электростанциях белорусской энергосистемы. Генерирующие мощности Белорусской энергосистемы включают 32 тепловые электростанции (3 — конденсационные, 29 — теплофикационные ТЭЦ) с установленной мощностью более 7,8 ГВт, а также ряд мини-ТЭЦ и ГЭС, 36 районных котельных. Таблица 4. Основные генерирующе мощности Белорусской энергосистемы. Лукомльская ГРЭС 2405 МВт Березовская ГРЭС 930 МВт Минская ТЭЦ-4 1030 МВт Гомельская ТЭЦ-2 540 МВт Новополоцкая ТЭЦ 505 МВт Минская ТЭЦ-3 420 МВт Могилевская ТЭЦ-2 350 МВт Минская ТЭЦ-5 330 МВт От состояния электроэнергетического комплекса во многом зависит энергетическая безопасность республики. Под энергетической безопасностью понимают способность обеспечить конечных потребителей энергией в необходимом количестве и необходимого качества в нормальных и чрезвычайных условиях. Энергетическая безопасность определяется тремя факторами: 1). Энергетическая безопасность прежде всего определяется долей собственных топливноэнергетических ресурсов (ТЭР) в общем энергобалансе. Чем она больше - тем лучше. 2). Следующий фактор - их разнообразие (диверсификация видов топлива и энергии) потому что, даже если страна полностью обеспечена каким-то одним видом ТЭР, это еще не значит, что она неуязвима. Вот Россия - одна из самых богатых в мире стран по запасам природного газа. Но, 8 поскольку его доля в общем энергопотреблении возросла до 62%, уже несколько лет назад РФ перешла порог энергетической безопасности. Считается нормальным использование в равных пропорциях не менее трех основных видов топлива, например угля, мазута и природного газа. Или как в Германии - урана, угля и природного газа. Однако для каждой страны эти пропорции определяются индивидуально. Например, в США структура различных источников получения электроэнергиии следующая: - 49.7% электроэнергии за счет сжигания каменного угля, АЭС занимают второе место (19.3%), газовые электростанции - третье (18.7%). На долю гидроэлектростанций приходится 6.5% вырабатываемой электроэнергии; на долю электростанций, использующих возобновляемые источники (солнце, ветер и пр.) - 3.7%. 3% своего электричества США получают за счет сжигания нефтепродуктов. Структура источников вырабатываемой электроэнергии в США: ЭС на нефтепродуктах - 3% Возобновляемые источники 3,7% ГЭС - 6,5% ЭС на газе-18,7% ЭС на каменном угле - 49,7% АЭС- 19,3% 3). Важнейшим принципом обеспечения энергетической безопасности является диверсификация поставщиков топлива и энергии. Экономика не должна чрезмерно зависеть от какого-либо одного поставщика ТЭР и недопустима моноструктура топливно-энергетического баланса. В настоящее время в государстве сложилась непростая ситуация с обеспечением энергетической безопасности: - вклад собственных ресурсов в обеспечение потребителей республики котельно-печным топливом — порядка 16,5%, - доля природного газа в топливном балансе белорусской энергосистемы превышает 95% и составляет 79% в балансе котельно-печного топлива страны, - почти 99% импортируемых энергоресурсов закупаются в одной стране России, - более 60% энергетического оборудования выработало свой технический ресурс. По диверсификации поставщиков газ - только из России, 20-30% электроэнергии импортируем примерно поровну из России и Литвы. Расчеты показывают, что экономически выгодным для Беларуси может оказаться вариант, при котором к концу 2020 г. доля природного газа в энергобалансе страны составит 63%, ядерного топлива - 28%, возобновляемых источников энергии - 7% и мазута - 3%. Одним из основных показателей, определяющих эффективность использования ТЭР, является энергоёмкость ВВП, определяемая отношением суммарного объёма использованных ТЭР к стоимости внутреннего продукта в сопоставимых ценах. 9 Показатели энергоемкости ВВП для стран с динамично развивающимся энерго комплексом приведены ниже (таблица 5). Таблица 5. Показатели энергоемкости ВВП Страна Великобритания Германия, Франция, Япония, Норвегия Швеция США Китай Финляндия Канада Беларусь Россия Украина Казахстан Энергоемкость кг н.э./долл кг у.т./долл. 0,14 0,20 0,16 0,23 0,16 0,23 0,21 0,30 0,22 0,31 0,23 0,33 0,26 0,37 0,28 0,40 0,43 0,61 0,49 0,70 0,50 0,71 0,53 0,76 Учитывая мировой опыт потребления ТЭР. а также имеющиеся аналитическоинформационные материалы по динамике энергоемкости ВВП развитых стран, необходимо снизить этот показатель и максимально приблизить его к уровню государств - лидеров. Следует отметить, что что низкая энергоемкость ВВП не всегда обеспечивает высокую эффективность использования топливно-энергетических ресурсов и, как следствие, может не соответствовать высокому уровню развития экономики. Например, энергоемкость ВВП в КНР (0,33 кг у.т./долл.) незначительно отличается от аналогичного показателя в США (0,31 кг у.т./долл.). Хотя очевидно, что фактическое состояние экономики этих государств, и в первую очередь качество жизни в них, не подлежит сравнению. В частности, уровень дохода на душу населения в Соединенных Штатах составляет примерно 35 тыс. долл. в год, в Китае — 3 тыс. Для сравнения: в Республике Беларусь этот показатель равен 7 тыс, долл., Украине — 6 тыс., России — 10 тыс. долл. в год. Если же сравнивать производственную сферу Китая и нашей республики, то в первом случае очевидно обеспечение развития производства за счет ручного труда, в то время как по объему производства ВВП на душу населения мы находимся на одном уровне с Россией, значительно превосходя КНР. По информации В.Семашко, с 1995 по 2005 годы рост ВВП составил 193%, а потребление энергии при этом возросло всего на 2,3%. "Если семь-восемь лет назад энергоемкость ВВП составляла примерно 750 кг н.э. (1073 кг у т) на 1 тыс. долларов ВВП, то уже в 2006 году энергоемкость ВВП составила 415 кг н.э. (593 кг у.т) на 1 тыс. долларов ВВП. В 2007 году она снизилась до 365 кг (522 кг у.т) на 1 тыс. долларов ВВП" — сообщил первый вице-премьер. Но тем не менее в настоящее время в Беларуси энергоемкость ВВП в 2-2,5 раза выше, чем в развитых странах Европы. Так соответствующий показатель в Бельгии, Голландии, Франции составляет 150-180 кг н.э. (215-257кг у.т) на 1 тыс. долларов валового внутреннего продукта. 2000 г. 750 кг н.э. на 1000$ 1073 кг у.т. на 1000$ Изменение энергоемкости ВВП Беларуси 2006 г. 2007г. 415 кг н.э. на 1000$ 365 кг н.э. на 1000$ 593 кг у.т. на 1000$ 522 кг у.т. на 1000$ 10 Удельные расходы условного топлива на отпуск электрической и тепловой энергии в 2006г. составили, соответственно, 274,6 г/кВтч (в 2005 г. — 274,6) и 168,44 кг/Гкал (в 2005 г. — 168,94) (рис. 1 и 2). 600 550 500 ã/êÂò*÷ 450 400 350 300 250 1960 1970 1980 1990 2000 2010 ãî ä Рис. 1. Динамика затрат условного топлива (г) на выработку 1кВтч электроэнергии 195 190 185 êã/Ãêàë 180 175 170 165 160 155 1960 1970 1980 1990 2000 2010 ãî ä Рис. 2. Динамика затрат условного топлива (кг) на выработку 1 Гкал тепловой энергии Следует отметить что удельный расход условного топлива отечественных высокотемпературных установок значительно превышает мировые показатели. Так, например, в печи для производства клинкера (в цементной промышленности) расходуется 220 кг у.т./т цемента и термический КПД - 40%, западноевропейские - 170—180 кг у.т./т цемента при КПД до 55%. В машиностроительном комплексе республики — соответственно 250—350 кг у.т./т и 8—12%, лучшие мировые аналоги — 100—120 кг у.т./т металла и КПД 30-40%. Выполненный учеными и специалистами Национальной академии наук Беларуси анализ путей повышения энергоэффективности промышленных печей позволил выявить следующие основные способы экономии топлива: - рекуперация теплоты уходящих газов (подогрев воздуха горения до температуры 200—300 °С), - уменьшение потерь теплоты через обмуровку и ограждения печи; использование современных газогорелочных устройств с автоматическим регулированием соотношения «газ / воздух», автоматизация теплового режима работы печи, 11 - сокращение продолжительности тепловой обработки (за счет интенсификации теплообмена помогает экономить до 15% топлива, оптимизация загрузки; совершенствование теплового режима; сокращение продолжительности холостого хода (работа печи без металла); соблюдение режимно - эксплуатационной и нормативно-производственной дисциплины Энергоемкость продукции применительно к нагревательной печи в результате реконструкции действующего агрегата может быть снижена в 2 раза, а при внедрении печи современной конструкции — более чем в 3 раза. АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА Рассмотрение различных сценариев совершенствования отечественной энергосистемы на период до 2020 г. показало, что развитие атомной энергетики экономически целесообразно по следующим причинам. В настоящее время стоимость органического топлива в зависимости от вида в 2,7—4,2 раза выше ядерного. Капитальные затраты на строительство атомной АЭС в значительной мере компенсируются более длительным сроком ее эксплуатации. При вводе в энергосистему АЭС суммарной мощностью порядка 2 млн кВт себестоимость производства электроэнергии снизится примерно на 0,5 цент/кВт. (см. таблицу 8). При ожидаемом в 2020 г. потреблении электроэнергии в размере 42,9—50,3 млрд кВт ч это позволит экономить на ее производстве более 200 млн долл. США в год, а доля АЭС в производстве электроэнергии может составить 27—29%. Ввод в эксплуатацию ядерных энергоблоков приведет к замещению 4—4,5 млн т у.т. (природного газа) в балансе энергосистемы, снижению его доли в балансе котельно-печного топлива страны до 65% в 2018 г. (с вводом первого энергоблока) и до 58% — в 2020 г. Затраты на покупку природного газа сократятся примерно на 500 млн долл. США в год. Кроме того, уменьшение его использования приведет к снижению выбросов парниковых газов в атмосферу на 7—10 млн т, что в связи с подписанием Киотского протокола позволит увеличить экономические выгоды Беларуси. Таблица 8: Затраты на производство электроэнергии (МВт ч) на электростанциях различного типа Электростанция АЭС ТЭС на газе ТЭС на угле Место проведения оценок, денежные единицы Франция, Великобритания, Канада, Финляндия, евро фунт.стер. кан. долл. евро 28 23 53 24 35 22 72 32 34 25 48 28 Ныне в 31 стране мира действуют 442 ядерных реактора, на которых вырабатывается 16% электричества, произведенного в мире. До 2030 г. в мире планируется построить более 300 новых атомных энергоблоков. На сегодняшний день на долю США, Франции и Японии приходится 49% всех АЭС мира и 57% всей “ядерной” электроэнергии. Наиболее развита ядерная энергетика в США (103 АЭС), Франции (59), Японии (54), России (31) и Великобритании (23). 16 государств получают от АЭС, как минимум, 20% используемой ими электроэнергии. В первую пятерку государств, которые большую часть своих потребностей в электроэнергии удовлетворяют за счет АЭС, ныне входят Литва (80%), Франция (76%), Словакия (57%), Бельгия (55%) и Швеция (50%). Иные лидеры - Бельгия, Болгария, Венгрия, Южная Корея, Швейцария, Словения и Украина (ядерная энергия позволяет обеспечить более трети их энергетических запросов). АЭС Японии, Германии и Финляндии покрывают примерно 25% потребностей этих государств в электричестве. 12 Таблица 9: Атомная энергетика в мире: Страна Кол-во АЭС США Франция Япония Бельгия Швейцария Швеция Литва Великобритания Германия 103 59 54 2 1 1 1 33 17 Доля вырабатываемой электроэнергии 19% 76% 29% 55% 50% 52% 80% 23% 32% Ддоводы против АЭС В своих заявлениях сторонники строительства АЭС пишут, что во всем мире активно строят АЭС. Однако мировой опыт развития атомной энергетики показывает обратное: за последние годы строительство атомных станций фактически было свернуто во всех странах, кроме развивающихся стран, которые активно рвутся к атомному оружию. В Германии сокращено количество уже работающих АЭС с 20 до 17. В США с 1978 года ни одна АЭС не построена, там лишь пытаются продлить срок эксплуатации с 30 лет до 50 лет. Во Франции, где наибольшая плотность АЭС, решено строить только в том случае, если какая-то станция выводится из эксплуатации. Не изучен вопрос по захоронению радиоактивных отходов и выводу АЭС из эксплуатации. Здесь вообще мирового опыта нет, поскольку отсутствуют технологии. Если 10 лет назад выведение из эксплуатации АЭС стоило 10% от стоимости станции, то сейчас это соизмеримо с затратами на само строительство станции. Дешевизна атомной энергии — это миф. Эти утверждения были обоснованы в конце 1990-х — начале 2000-х годов. Однако за последние семь лет ядерное топливо подорожало в 21 раз. Сравним, газ — всего в три раза. Поэтому электроэнергия, вырабатываемая на АЭС, с каждым годом становится все дороже и дороже. Реальная стоимость атомной электроэнергии, по его словам, в пять раз выше стоимости электроэнергии тепловых станции. Атомщики Сибирского отделения Российской академии считают, что развитие ядерной энергетики на реакторе с тепловыми нейтронами бесперспективно. Согласно их исследованиям, к 20202025 годам на 50% АЭС не будет хватать ядерного топлива, а к 2050 году его вообще не будет, так как запасы природного урана ограничены и к тому времени исчерпаются. Стоимость строительства различных ЭС (за киловатт мощности) по разным источникам составляет: АЭС 1000 – 2400 $ Газовая ЭС 500 - 800 $ Угольная ЭС 900 - 1500 $ Ветровая ЭС 1000 - 1500 $ ЖКХ Одно из возможных направлений работы – это создание мотивации по энергосбережению для населения и начало реформ в секторе ЖКХ. Население использует 20% всей электроэнергии, потребляемой в стране, и 60% теплоэнергии. Типовая структура расхода тепловой энергии зданием выглядит следующим образом: - наружные стены 35-45%; - окна 20-30%; - вентиляция 15%; - горячая вода 10%; - крыша, пол 5-10%; - трубопровод, арматура 2%. 13 Около 50% теплопотерь в новых современных зданиях приходятся на вентиляционные выбросы. На западе широко разрабатываются проекты домов с практически нулевым потреблением энергии. Дом устроен так, что все тепло задерживается в помещении. От каждого человека выделяется от 60 до 100 ватт энергии. Благодаря такой конструкции, в этом доме оптимальная для жизни температура может поддерживаться, даже если на улице столбик термометра падает до -20°С без дополнительных средств для обогрева. В доме установлено оборудование, которое собирает теплый воздух со всего дома, очищает его, смешивает с уличным воздухом и распределяет по всем помещениям. Тут же установлена 150- литровая емкость для воды, которая тоже обогревается этим теплым воздухом, а в ясные дни еще и солнечной батареей. Ее мощности хватает даже на нашей широте. Южная стена дома выстроена фактически из стеклопакетов специальной конструкции. Они не дают теплу обогревать улицу, а входящие солнечные лучи обогревают помещения даже зимой. Проектом заинтересовались в Литве и Латвии. Стоимость такого дома составляет не более 100 тысяч евро. Коммунальные платежи не превысят 200 евро в год. Энергосберегающие краски - это современные многофункциональные композиционные материалы, состоящие из полимерной матрицы и наполнителя, в роли которого выступают полые стеклянные микросферы (ПСМ). Термокерамические покрытия были рассчитаны и изготовлены американскими учеными в начале 80-х годов прошлого века для решения двух задач – уменьшения количества тепла, отдаваемого зданием, и сокращения количества солнечной энергии, попадающей внутрь помещений и технологического оборудования. Создатели этих материалов опирались на опытные и теоретические данные, подтверждающие свойство ПСМ отражать и рассеивать значительную часть энергетического спектра. Энергосберегающие краски – уменьшают тепловые потери с ограждающих конструкций здания до 45%, улучшают теплотехнические характеристики стен и крыш, отражают солнечное излучение, способствуют установлению комфортных условий для проживания человека, уменьшают затраты на отопление и кондиционирование, продляют срок службы строительных конструкций; 14 ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ Любая промышленная деятельность, любой технологический процесс предполагает в конечном итоге превращение энергии, сконцентрированной в энергоносителях, в рассеянное низкотемпературное тепло, чаще всего в виде нагретых до какой-то степени воздуха и воды. Это низкотемпературное рассеянное тепло именуется множеством вторичных источников тепла. Это сбросная вода промпредприятий, тепло стоков очистных сооружений, хозпитьевая вода, тепло вентвыбросов, тепло рек и озер летом, тепло наружного воздуха, почвы и т.д, т.е сбросное тепло с температурой +5...+30°С, которое напрямую обычно не используется. Запасы такого тепла огромны, а в количественном выражении их величина равна затраченной производством энергии. Тепловой насос позволяет концентрировать низкотемпературное тепло для дальнейшего его использования Тепловой насос был изобретен лордом Кельвином в 1852 году. Принципиально он имеет много общего с холодильником. Работа этих машин основывается на одних и тех же законах термодинамики. Если функцией холодильника является создание низкой отрицательной температуры и замораживание продуктов, то лорд Кельвин использовал его противоположным образом. Морозильную камеру - теплообменник-испаритель - изобретатель разместил за наружной стеной дома. Машина продолжала работать в том же режиме, но теперь ее функцией стало повышение температуры и отопление, а не охлаждение помещения. Основная его характеристика - коэффициент теплопроизводительности - это отношение затраченной энергии к полученной. На каждый киловатт электрической мощности компрессора, насос, в зависимости от условий, может произвести от 1 до 10 киловатт тепла. Термин "произвести" несколько некорректен и не отражает сути происходящего. Тепловой насос не производит, а перекачивает тепло. Ситуация сходна с добычей угля или нефти, когда затраты энергии меньше, чем процент ее содержания в топливе. Источником для работы теплового насоса может любая проточная вода с температурой от 5 до 40°С. Чаще всего в качестве источника тепла используют артезианские скважины, нагретые промышленные сбросы, градирни, незамерзающие водоемы. В тепловом насосе имеется три основных агрегата (испаритель, конденсатор, компрессор) и три контура (хладоновый, водяной источника и водяной отопления). Испаритель - теплообменник, где в трубках движется вода источника, а между трубок хладагент (хладон). Пусть через испаритель проходит 10-градусная вода (например, из скважины). Путем регулировки дросселем настраивается такое давление хладона в испарителе, чтобы температура его кипения составила 2-3°С (все хладоны имеют крутую зависимость температуры кипения от давления). Теперь при тепловом контакте с "горячими" трубками часть хладагента вскипает, "отбирая" при этом энергию у воды. Охлажденная вода, прошедшая через испаритель, сбрасывается в другую (приемную) скважину. Испаренный хладон, в свою очередь, всасывается в компрессор, сжимается им, и, нагретый, выталкивается в конденсатор. Конденсатор по устройству - такой же теплообменный аппарат,как и испаритель. Попадая в межтрубное пространство с температурой 70-80°С и вступая в теплообмен с обратной водой из системы отопления (50-55°С), хладон конденсируется на "холодных" трубках, передавая свою энергию воде. Вода в трубках нагревается, а хладагент, уже жидкий, стекает на дно конденсатора, откуда, за счет перепада давлений, через дроссель возвращается в испаритель. Так упрощенно выглядит рабочий цикл теплового насоса. Тепловые насосы могут вернуть для повторного потребления огромное количество рассеянного тепла, выделившегося при использовании промышленностью различных видов топлива. На пути возможной реализации подобных замыслов стоит ряд ограничений, связанных с архитектурой и размещением предприятий. Сооружение теплотрасс для низкотемпературных теплоносителей требует значительных капитальных затрат. Наибольший эффект достигается, когда расстояние между вторичным источником тепла и потребителем не превышает нескольких десятков метров. Мощность источников вторичного тепла на некоторых из них колоссальна, но использование их проблематично из-за большого удаления от потребителей. 15 На станции метро "Тракторный завод" для ее отопления белорусско-германское СП "Термоблок" установило теплонасосную установку производства "DUNHOM-BUSH" (США). Два тепловых насоса установки при потребляемой электрической мощности 10 кВт обеспечивают 30 кВт тепла. Источником низкотемпературной теплоты служат работающие трансформаторы питающей подстанции. (Трансформаторный зал необходимо постоянно вентилировать и охлаждать, в противном случае КПД трансформации электрического тока значительно снизится). Подобный тепловой насос использован для теплоснабжения санатория "Белая Русь" в Туапсе, принадлежащего РБ. Тепловая мощность насоса составляет 3,6 МВт, в качестве источника низкотемпературного тепла используется морская вода Черного моря. (Зимняя температура черноморской воды не опускается ниже 8° С.) 1 кубический метр природного газа при сжигании в отопительном котле может дать до 10 квт.ч. тепловой энергии (8600 Ккал.). Этот же 1 м. куб. газа сожженный на хорошей электростанции даст почти 5 квт.ч. электроэнергии и плюс до 4 квт.ч. тепловой. Если этими 5 квт.ч. электроэнергии запитать тепловой насос (ТН) то можно реально выкачать из окружающей среды: 16 квт.ч. тепла из воздуха; 22 квт.ч. из грунта; 32 квт.ч. из водного источника. Таким образом из 1 м. куб. газа вместо 10 квт.ч. тепла можно получить 20—36! КПД ТН по сравнению с прямым электронагревом 320—720%. Среди зарубежных стран лидером в области применения тепловых насосов является, безусловно, Швеция. В Швеции 50% отопления — ТН. К настоящему времени 63% теплоснабжения Стокгольма осуществляется от теплонасосной установки общей мощностью 520 мегаватт. Эта установка состоит из 16 тепловых насосов и использует в качестве источника тепла воду Балтийского моря с температурой воды +4...+8°С. По прогнозам Мирового энергетического комитета к 2020 году доля тепловых насосов в теплоснабжении в мире составит 75%. Понимая очевидность экономии ресурсов правительства развитых стран и даже Китая всемерно поощряют внедрение ТН предоставлением различных льгот и субсидий. В России ТН достаточно широко применяют там, где нет газа. В Украине есть программа увеличения выработки тепла с помощью ТН к 2030 году в 100 раз. 16 В связи с экологической чистотой тепловых насосов в некоторых странах, в частности в Германии, с целью обеспечения более интенсивоно применения тепловых насосов, предусмотрена денежная дотация правительства на их установку. В других странах (Швейцария, Норвегия, Япония, США и т.п.) используются другие способы государственной поддержки развития теплонасосного теплоснабжения, но практически во всех развитых странах такая поддержка есть. ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ Топливные элементы относятся к химическим источникам тока. Они осуществляют прямое превращение энергии топлива в электричество минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения. Существует несколько различных типов топливных элементов. Простейший топливный элемент состоит из специальной мембраны, известной как электролит. По обе стороны мембраны нанесены порошкообразные электроды. Такая конструкция - электролит, окруженный двумя электродами, - представляет собой отдельный элемент. Водород поступает на одну сторону (анод), а кислород (воздух) на другую (катод). На каждом электроде происходят разные химические реакции. На аноде водород распадается на смесь протонов и электронов. В некоторых топливных элементах электроды окружены катализатором, обычно выполненным из платины или других благородных металлов, которые способствуют протеканию реакции диссоциации: 2H2 ==> 4H+ + 4e-. H+ = ионизированный водород, т.е. протон; е- = электрон. Работа топливного элемента основана на том, что электролит пропускает через себя протоны (по направлению к катоду), а электроны - нет. Электроны движутся к катоду по внешнему проводящему контуру. Это движение электронов и есть электрический ток, который может быть использован для приведения в действие внешнего устройства, подсоединенного к топливному элементу, такого как электродвигатель или лампочка. Это устройство обычно называется "нагрузкой". С катодной стороны топливного элемента протоны (которые прошли через электролит) и электроны (которые прошли через внешнюю нагрузку) "воссоединяются" и вступают в реакцию с подаваемым на катод кислородом с образованием воды, H2O: 4H+ + 4e- + O2 ==> 2H2O. Суммарная реакция в топливном элементе записывается так: 2H2 + O2 ==> 2H2O. 17 Усложняет использование ТЭ то, что для них топливо необходимо "готовить". Для ТЭ получают водород путем конверсии органического топлива или газификации угля. Поэтому структурная схема электростанции на ТЭ, кроме батарей ТЭ, преобразователя постоянного тока в переменный и вспомогательного оборудования включает блок получения водорода. В настоящее время большинство технологий топливных элементов, применяемых на транспорте, используют метанол. Структурная схема электростанции на топливном элементе КПД получения чисто электроэнергии может достигать 75%. Существуют две сферы применения ТЭ: автономная и большая энергетика. Для автономного использования основными являются удельные характеристики и удобство эксплуатации. Стоимость вырабатываемой энергии не является основным показателем. Для большой энергетики решающим фактором является экономичность. Кроме того, установки должны быть долговечными, не содержать дорогих материалов и использовать природное топливо при минимальных затратах на подготовку. Наибольшие выгоды сулит использование ТЭ в автомобиле. Здесь, как нигде, скажется компактность ТЭ. При непосредственном получении электроэнергии из топлива экономия последнего составит порядка 50%. Топливные элементы имеют ряд преимуществ. В то время как КПД современных двигателей внутреннего сгорания составляет только 12-15%, у топливных элементов этот коэффициент составляет 50%. КПД топливных элементов может оставаться на довольно высоком уровне, даже когда они используются не на полную номинальную мощность, что является серьезным преимуществом по сравнению с двигателями на бензине. Модульный принцип устройства топливных элементов означает, что мощность электростанции на топливных элементах можно увеличить, просто добавив еще несколько каскадов. Это обеспечивает минимизацию коэффициента недоиспользования мощности, что позволяет лучше приводить в соответствие спрос и предложение. Поскольку КПД блока топливных элементов определяется производительностью отдельных элементов, небольшие электростанции на топливных элементах работают также эффективно, как и большие. Кроме того, сбросное тепло от стационарных систем на топливных элементах может быть использовано на обогрев воды и помещений, еще более увеличивая эффективность использования энергии. При использовании топливных элементов практически не бывает вредных выбросов. При работе двигателя на чистом водороде в качестве побочных продуктов образуются только тепло и чистый водяной пар. Основная проблема - проблема получения и хранения водорода. Во-первых, он должен быть достаточно чистый, чтобы не произошло быстрого отравления катализатора, во-вторых, достаточно дешёвый, чтобы его стоимость была рентабельна для конечного потребителя. Существует множество способов производства водорода, но в настоящее время около 50% водорода, производимого во всём мире, получают из природного газа. Все остальные способы пока дорогостоящи. К сожалению, в водороде, произведённом из природного газа, будет присутствовать СО, отравляющий катализатор. Поэтому для уменьшения отравления катализатора необходимо повысить температуру топливного элемента. Уже при температуре 160°С в топливе может присутствовать 1% СО. Цена некоторых водородных топливных элементов пока остаётся высокой. Но в будущем цена будет снижаться при организации массового производства топливных элементов. Большинство элементов при работе выделяют то или иное количество тепла. Это требует создания сложных технических устройств для утилизации тепла (паровые турбины и пр.), а также организации потоков топлива и окислителя, систем управления отбираемой мощностью, долговечности мембран, отравления катализаторов некоторыми побочными продуктами окисления топлива 18 и других задач. Но при этом же высокая температура процесса позволяет производить тепловую энергию, что существенно увеличивает КПД энергетической установки. КОГЕНЕРАЦИОННЫЕ УСТАНОВКИ Принцип действия и преимущеста. Альтернативными источниками энергии могут быть автономные теплоэлектростанции, одновременно вырабатывающие электрическую и тепловую электроэнергию (когенерационные установки). Когенерационными установками (КУ) называются установки, одновременно вырабатывающие электрическую и тепловую энергию. Они состоят из двигателя (дизеля, газопоршневого двигателя, газовой турбины), генератора, теплообменников, коммуникационных систем. Раздельное производство электроэнергии и тепла Когенерация В условиях роста цен на энергоносители и ужесточения требований по экологической безопасности такие системы получают всё большее распространение. Преимуществами КУ являются: - низкая, по сравнению с тарифами централизованных систем стоимость кВт часа. - меньшие потери при передаче тепловой энергии (в сравнении с центральными теплотрассами). - использование газа различного состава (природный, попутный, биогаз и т.д.). Окупаемость установки - от 2 до 5 лет при сроке эксплуатации 25-30 лет. Коэффициент полезного использования топлива (природного газа) в когенерационных установках может достигать, в зависимости от конструкции основного и вспомогательного оборудования, - 92%. Иными словами энергия, которая в обычных электростанциях выбрасывается в атмосферу через радиатор охлаждения двигателя и с выхлопными газами, в когенерационных установках утилизируется и направляется на нужды потребителя. По пути применения КУ пошли большинство развитых стран Европы, такие как Англия, Германия, Австрия и т.д. 19 ЛИТЕРАТУРА 1. Экономия и бережливость – основные факторы экономической безопасности государства. Директива Президента Республики Беларусь № 3 от 14 июня 2007 г. - Газета «Республика» от 19 июня 2007 г. 2. Концепция энергетической безопасности Республики Беларусь. Указ Президента Республики Беларусь № 433 от 17 сентября 2007 года 3. Постановление СМ РБ от 2 Февраля №137 « О республиканской программе энергосбережения на 2006 - 2010 годы» 4. Закон Республики Беларусь от 15 июля 1998 г. № 190-з «Об энергосбережении» принят палатой представителей 19 июня 1998 года, одобрен советом республики 29 июня 1998 года. 5. Концепция энергетической безопасности и повышения энергетической независимости Республики Беларусь, утв. Указом Президента Республики Беларусь от 25 августа 2005 г. № 399. 6. Программа обеспечения в республике не менее 25 процентов объема производства электрической и тепловой энергии за счет использования местных видов топлива и альтернативных источников энергии на период до 2012 года. Утв. Постановлением Совета Министров Республики Беларусь от 30 декабря 2004 года № 1680. 7. Энергетика Беларуси: Состояние. Проблемы. Перспективы: монография/ БобровВ.В., и др; под ред. М.Н.Хурса. –Минск: ФУАинформ,2006.344 с. 20 Приложение 1 1. Условное топливо. Единицы измерения Для сравнения показателей топливопотребляющего оборудования и устройств, проведения экономических расчетов и планирования введено понятие так называемого условного топлива. В качестве единицы условного топлива применяется 1 кг топлива с теплотой сгорания 7000 ккал/кг (29,3 МДж/кг), что соответствует хорошему малозольному сухому углю. Теплота сгорания, или удельная энергоемкость топлива количество тепловой энергии, выделяющейся при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива, или 1 м3 газового топлива при нормальных физических условиях. Соотношение между условным топливом и натуральным выражается формулой PУТ PH Q / 7000 , где РУТ - масса эквивалентного количества условного топлива, кг; РН - масса натурального топлива, кг (твердое и жидкое топливо) или м3 - газообразного; Q - теплота сгорания данного натурального топлива, ккал/кг или ккал/м3. Отношение Q/7000 называется калорийным коэффициентом. Теплота сгорания наиболее распространенных видов топлива и калорийный коэффициент представлены в таблице 1. Таблица 1: Теплота сгорания и калорийный коэффициент наиболее распространенных видов топлива: Топливо Теплота сгорания Теплота сгорания Водород Сжиженный газ Газ пропан Нефть Мазут Природный газ Уголь антрацит Уголь каменный Биогаз Торф влажности 10% Торф влажности 40% Дрова влажностью 10 % Дрова влажностью 40 % 120,6 МДж/м3 88,5 МДж/кг 46,1 МДж/м3 41,9 МДж/кг 40 41,5 МДж/кг 33,535,6 МДж/м3 33,5 МДж/кг 1629 МДж/кг 1823 МДж/м3 17,2 МДж/кг 10,5 МДж/кг 16,4 МДж/кг 10,1 МДж/кг 28 800 ккал/м3 21 100 ккал/кг 11 000 ккал/кг 10 000 ккал/кг 9 500–9 900 ккал/кг 8 000–8 500 ккал/м3 8 000 ккал/кг 3 800–6 900 ккал/кг 4 300–5 500 ккал/м3 4 100 ккал/кг 2 500 ккал/кг 3 900 ккал/кг 2 400 ккал/кг 21 Калорийный коэффициент 4,11 3,02 1,57 1,43 1,15 1,14 – 1,21 1,14 0,54 – 0,99 0,61 – 0,79 0,59 0,36 0,56 0,34 Приложение 2 Используемые термины и определения Энергосистема - это совокупность энергетических ресурсов всех видов, методов их получения (добычи), преобразования, распределения и использования, а также технических средств и организационных комплексов, обеспечивающих снабжение потребителей всеми видами энергии. Энергосбережение - это организационная научная, практическая, информационная деятельность государственных органов, юридических и физических лиц, направленная на снижение расхода (потерь) топливно энергетических ресурсов в процессе их добычи, переработки, транспортировки, хранения, производства, использования и утилизации. Топливно-энергетические ресурсы (ТЭР) - совокупность всех природных и преобразованных видов топлива и энергии, используемых в республике. Вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) - энергия, получаемая в ходе любого технологического процесса в результате недоиспользования первичной энергии в виде побочного продукта основного производства и не применяемая в этом технологическом процессе. Например, пар, который получается в технологических процессах после теплообменников, может быть использован для обогрева помещений. Эффективное использование ТЭР - использование всех видов энергии экономически оправданными, прогрессивными способами при существующем уровне развития техники и технологий и соблюдении законодательства. Показатель эффективности - научно обоснованная абсолютная или удельная величина потребления ТЭР (с учетом их нормативных потерь) на производство единицы продукции (работы, услуг) любого назначения, установленная нормативными документами. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии - источники электрической и тепловой энергии, использующие энергетические ресурсы рек, водохранилищ и промышленных водостоков, энергию ветра, Солнца, редуцируемого природного газа, биомассы (включая древесные отходы), сточных вод и твердых бытовых отходов. Пользователи ТЭР - субъекты хозяйствования независимо от форм собственности, зарегистрированные на территории Республики Беларусь в качестве юридических лиц или индивидуальных предпринимателей, осуществляющих свою деятельность без образования юридического лица, а также другие лица, которые в соответствии с законодательством Республики Беларусь имеют право заключать хозяйственные договоры, и граждане, использующие ТЭР. Производители ТЭР - субъекты хозяйствования, независимо от формы собственности, зарегистрированные на территории Республики Беларусь в качестве юридических лиц, для которых любой из видов ТЭР, используемых в республике, является товарной продукцией. ВВП - валовый внутренний продукт. Лигнин - вещество, характеризующее одеревеневшие стенки растительных клеток – является ценном химическом сырьём, используемое во многих производствах. Лигнин выделяется в больших количествах как побочный продукт в основных лесохимических производствах - целлюлозном и гидролизном. В Беларуси до сих пор широкого применения, как и во времена СССР, он пока не получил. Гидролизный завод в Бобруйске построен в давние «совковые времена». С тех пор лигнин, являющийся отходом, попросту вывозился самосвалами за город, в результате чего образовалась поражающая размерами лигнинная возвышенность. 22