Возможности энергосбережения

Структура энергопользования

1.1. Виды энергии

Энергия в переводе с греческого - "деятельность". Любая деятельность предполагает изменение состояния (движение). Все формы движения (механическое, тепловое, электромагнитное и др.) сопровождаются превращением энергии из одного вида в другой или совершением работы. Совершение работы характеризует изменение состояния вовлекаемых в движение материальных объектов. Все виды энергии эквивалентны друг другу и при определенных условиях взаимозаменяемы. В зависимости от природы различают несколько видов энергии.

Энергию движения и взаимодействия макроскопических тел или их частей называют механической. Ею обладают движущиеся и деформированные физические тела, тела и частицы, находящиеся в поле тяготения на более высоком энергетическом уровне, способные совершать механическую работу. В естественном состоянии механической энергией обладают воздушные потоки (ветер), водные потоки (реки, водопады, волны, приливы).

Энергию, обусловленную физическим движением (хаотическим движением и взаимодействием) молекул, называют тепловой. Она накапливается в биосфере вследствие поглощения энергии Солнца.

Энергию движения и взаимодействия электрически заряженных частиц называют электрической. Это наиболее универсальный (совершенный) вид энергии. Она способна трансформироваться во все другие виды энергии (механическую, тепловую, химическую и др.)- Электрическая энергия передается на большие расстояния без значительных потерь наиболее экономически и технически приемлемыми методами. Ее можно использовать при разных мощностях (электробритва, электровоз). Электрические установки, оборудование и бытовые приборы являются экологически безопасными и доступными для широкого пользования. Использование электрической энергии позволяет создавать технологические комплексы с высокой степенью автоматизации, обеспечивает достаточный комфорт обслуживающего персонала. Электромагнитная энергия - это энергия электромагнитных полей, которая создается при движении электрически заряженных частиц, а также электромагнитными волнами (вихревыми электрическими и магнитными полями). Электромагнитные волны - это радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, гамма-излучение.

Химическая энергия - энергия химических связей вещества. Например, энергия связи С-С в молекуле этана равна 347 кДж/моль, связи С=С в молекуле этилена -612 кДж/моль. При химических реакциях энергия может освобождаться в виде тепловой (горение), электромагнитной (хемилюминесценция), электрической (в гальванических элементах, аккумуляторах) энергии.

Биохимическая энергия - энергия, выделяющаяся или поглощающаяся в результате биохимических превращений. Например, молекула АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты) представляет собой нуклеотид, фосфатные группы которого соединены между собой высокоэнергетическими связями. При гидролизе молекул АТФ до АДФ (аденазинодифосфор-ной кислоты) эти связи разрываются и выделяется большое количество энергии:

Энергия продуктов питания поддерживает температуру тела, обеспечивает энергию, необходимую для физического и умственного труда. Ценнейшей составляющей пищи являются жиры, основная функция которых в организме - аккумуляция энергии. При окислении жиров высвобождается большое количество энергии, которая идет на образование АТФ.

Ядерная энергия — энергия, заключенная в ядрах атомов вещества, которая высвобождается при делении тяжелых (ядерная реакция) или синтезе легких (термоядерная реакция) ядер.

1.2. Источники энергии

Для всех естественных процессов в пределах биосферы наиболее существенными являются энергетические факторы. Появление и развитие различных форм жизни в первую очередь зависит от функционирования энергетических источников. Для нашей планеты основным источником энергии является Солнце. Поглощаемая Землей энергия излучения Солнца в десятки раз превышает потребляемую человечеством. Живая природа потребляет лишь незначительную часть (около 0,02 %) от общего количества энергии, достигающей Земли. Значительная часть энергии Солнца потребляется на поддержание температурного режима атмосферы, водных и почвенных масс, а часть ее идет на осуществление процессов кругооборота веществ на Земле. Процесс преобразования энергии света в энергию химических связей органических веществ называют фотосинтезом. При фотосинтезе происходит захват (поглощение) и аккумуляция солнечной энергии в молекулах органических веществ. Исходными соединениями для фотосинтеза служат простые, низкой энергии неорганические вещества С0₂ и Н₂0:

6С0₂+6Н₂О^С₆Н₁₂0₆+60₂.

Животные потребляют энергию, накопленную растительностью. Человек потребляет энергию Солнца различными путями, в том числе с пищей, которая обеспечивает его работоспособность. Неиспользованная часть энергии накапливается в виде веществ, способных высвобождать ее при определенных условиях. Эти вещества называют ископаемым топливом (невозобновляемые источники энергии) - основной источник энергии в современном хозяйстве, а также важнейшее промышленное сырье.

Теплоту сгорания топлива определяют экспериментально. Для этого служат специальные приборы - калориметры. Теплота сгорания основных видов органического топлива колеблется от 6 200-7 500 кДлс/кг (многозольные сланцы, высоковлажный торф, бурый уголь) до 25 000-29 000 кДж/кг (высококалорийный каменный уголь) и 33 000 кДж/кг (нефтепродукты и газ). В расчетах широко используется понятие условного топлива с теплотой сгорания 29 309 кДж/кг (7 000 ккал/кг).

Возобновляемые источники энергии - источники, потоки энергии которых постоянно существуют или периодически возникают в окружающей среде. Эти источники не являются следствием целенаправленной деятельности человека. К ним относят энергию: прямого излучения Солнца, ветра, мирового океана (энергия приливов, волн), рек, морских течений, морских водорослей, биомассы, водотоков, геотермальных источников (энергия внутреннего тепла Земли), "холодную" (получение энергоносителей путем физико-химических процессов, протекающих при низких температурах), нетрадиционных источников энергии, получаемую при непосредственном преобразовании химической энергии органического топлива в электрическую - создание топливных элементов и др.

Для получения тепловой энергии долгое время использовались твердые виды топлива, и лишь в начале XX в. началось использование жидкого (нефти) и газообразного (природного и попутных газов) топлива. Во второй половине XX в. для получения тепловой и электрической энергии началось использование ядерного топлива. Структура использования источников энергии изменяется в процессе развития цивилизации.

1.3. Энергетические ресурсы

Энергию, которая содержится в природных источниках и может быть преобразована в механическую, тепловую, электрическую, химическую, называют первичной.

Любой источник энергии, естественный или искусственно активизированный, называют энергетическим ресурсом. По способам использования первичные энергетические ресурсы подразделяют на топливные и нетопливные, по признакам сохранения запасов на возобновляемые и невозобновляемые. В современном природопользовании энергетические ресурсы классифицируют на три группы:

- участвующие в постоянном обороте и потоке энергии (солнечная энергия, энергия потоков воды и воздушных масс и т. д.);

- депонированные (уголь, нефть, газ и т. д.);

- искусственно активизированные (ядерная и термоядерная энергия).

Использование энергетических ресурсов является одной из основных форм природопользования. Область общественного производства, охватывающая энергетические ресурсы, получение, преобразование, транспортировку и использование различных видов энергии, называется энергетикой. Энергетика функционирует в рамках энергосистем. В энергосистемы входят традиционная и нетрадиционная энергетика. Традиционная энергетика использует ископаемые энергические ресурсы (уголь, нефть, газ), а также торф, дрова и другое органическое и синтетическое топливо, энергию, выделяющуюся при распаде ядер (ядерное топливо), гидроэнергию рек, нетрадиционная - возобновляемые источники энергии (солнечную энергию, энергию ветра, энергию биомассы, геотермальную энергию и др.).

Развитие экономики и увеличение численности населения требуют все возрастающего использования энергетических ресурсов.

Увеличение использования энергетических ресурсов приводит к увеличению материальных и энергетических затрат, увеличению экологической нагрузки на окружающую среду. Поэтому во всех странах мира стремятся разрабатывать способы энергообеспечения, позволяющие наилучшим образом развивать промышленность, не снижая качества жизни людей, а также оказывающие минимальное воздействие на окружающую среду. Начиная с 1975 г. большинство развитых стран перестали наращивать темпы использования энергии при достаточно высоком уровне жизни своих граждан.

2. Способы получения, транспортировки и преобразования энергии

2.1. Получение первичной энергии

В структуре мирового потребления первичной энергии (конец XX в.) нефть составляла около 36 %.

Мировые запасы нефти сосредоточены в географических районах, не совпадающих с районами ее переработки и потребления, благодаря чему существуют международные потоки нефти.

Около 66 % мировых запасов (150 млрд т) нефти сосредоточены в Юго-Западной Азии, около 12 % - в Латинской Америке и только около 22 % мировых запасов нефти - в остальных географических районах.

В конце XX в. (с 1995 по 1998 г.) разведанные геологические запасы нефти увеличились благодаря открытиям новых месторождений в Бразилии, Восточной Венесуэлле, Северном Каспии, Карском море, Саудовской Аравии, бассейне реки Тарки в Западном Китае, в Новой Гвинее, восточной части Баренцева моря. Большие запасы этого топлива сконцентрированы в нетрадиционных источниках: сверх тяжелой нефти, битумах, нефтеносных песчаниках и сланцах. Однако при высокой себестоимости извлечения нефти из этих источников ее добыча и использование проблематичны.

Рост добычи нефти стимулируется ростом цен на жидкое топливо, а также все большим распространением двигателей внутреннего сгорания, развитием нефтехимической промышленности.

Наиболее перспективными странами, исходя из соотношений запасов и добычи нефти, являются страны Ближнего и Среднего Востока. При сохранении темпов роста потребления нефти конца XX в. ее запасов этим странам хватит более чем на 100 лет, в то время как в мире - в среднем на 48-50, а в странах СНГ и Восточной Европы - только на 20 лет. В последнее время добыча нефти значительно уменьшилась в России и Ираке и возросла в Центральной и Южной Америке, Австралии и Океании. Расширилась добыча нефти в шельфовой зоне. Так, в Австралии более 95 % нефти добывается из шельфовых месторождений.

Разведанные запасы угля составляют около 1,24 трлн т, в том числе около 808 млрд т каменного и около 431 млрд т бурого. Основная часть (около 83 %) разведанных запасов угля находится в США, России, Китае, Великобритании, Германии, Австралии. Потребление угля растет незначительно из-за сильного загрязнения окружающей среды при его добыче и использовании.

Около 50 % добычи угля осуществляется в США и России, значительная часть - в Китае, Индии, Австралии, Германии, ЮАР, Бразилии, Венесуэлле, Мексике, Колумбии. Данный процесс требует значительно больших затрат, чем добыча нефти и газа. В структуре мирового потребления первичной энергии уголь составляет около 20 %.

Промышленные запасы газа концентрируются преимущественно в нефтеносных районах. Разведанные запасы природного газа составляют около 135 трлн м³. В странах СНГ - около 45 трлн м³, Иране - около 17 трлн м³, Объединенных Арабских Эмиратах, Саудовской Аравии, США и Катаре - примерно по 6 трлн м³. Меньшие запасы природного газа - в Канаде, Нидерландах, Юго-Западной Азии. Около 2/3 добычи природного газа осуществляется в странах СНГ и США. Значительная часть мировой добычи природного газа приходится на Канаду, Нидерланды и Юго-Западную Азию. По энергетическому эквиваленту мировые разведанные запасы газа составляют около 80 % разведанных запасов нефти. Увеличение добычи газа стимулируется значительно меньшим загрязнением окружающей среды. На мировой рынок поступает около 20 % мирового потребления газа. В структуре мирового потребления первичной энергии газ составляет около 25 %.

Ядерное топливо является источником наиболее концентрированной первичной энергии. Производство ядерного топлива - сложный технологический процесс, включающий добычу, обогащение руды и создание топливных элементов (твелов). Запасы извлекаемого природного урана почти в 100 раз больше запасов органического топлива (около 24 млн т). Годовая потребность в уране для действующих ядерных энергетических реакторов оценивается в 58 тыс. т. В структуре мирового потребления энергии ядерное топливо составляет около 3,6 %.

Возобновляемая первичная энергия (энергия движущейся воды, ветра, излучения Солнца, биомассы) имеется в окружающей среде постоянно или периодически восстанавливается, но эта энергия, как правило, рассеянная. Для ее использования требуется создание концентраторов (аккумуляторов). Запасы этой энергии огромные, а использование незначительное. В структуре мирового потребления первичная энергия возобновляемых источников составляет около 4,9 %.

2.2. Способы транспортировки первичной энергии

Сырая нефть и продукты ее переработки (бензин, керосин, дизельное топливо, мазут и др.) транспортируются по трубопроводам, водным и, реже, железнодорожным и автомобильным транспортом. Основная часть природного газа транспортируется по трубопроводам, незначительное количество -в сжиженном виде специальными танкерами, железнодорожным и автомобильным транспортом в цистернах и баллонах.

Основная часть угля используется в странах, его добывающих. Транспортировка угля осуществляется железнодорожным и водным транспортом, более энергозатратным, чем трубопроводный. Осваивается транспортировка угля по трубопроводам в контейнерах в виде пульпы (50 % - измельченный уголь, 50 % - вода).

Для транспортировки ядерного топлива создаются специальные контейнеры, которые оснащены защитными оболочками, снижающими радиоактивное излучение до нормативных пределов.

Местные виды первичной энергии (торф, дрова, биомасса) транспортируются на небольшие расстояния в основном железнодорожным и автомобильным транспортом.

Возобновляемая первичная энергия не требует транспортировки (концентрируется и преобразуется в местах ее нахождения).

2.3. Сравнение экономической и экологической эффективности различных способов получения энергии

Основная часть первичной энергии (нефть, газ, уголь) извлекается из недр Земли, чему предшествует разведка, оценка запасов и технологического обеспечения. Коэффициент извлечения (отношение извлеченной массы к оценочной массе запасов в месте добычи) зависит от вида топлива, характеристики месторождения, технологии добычи. Извлеченное топливо транспортируется на переработку, а переработанное -к месту потребления.

Процессы разведки, добычи, транспортировки и использования сопровождаются материальными, энергетическими затратами и экологической нагрузкой на окружающую среду. Для различных энергетических источников перечисленные факторы не одинаковы. Различаются показатели и для одинаковых источников энергии, но разных регионов и стран, применяемых технологий на каждом из этапов.

Экономическая эффективность различных видов топлива зависит от коэффициента извлечения, материальных и энергетических затрат на добычу, транспортировку, переработку топлива, а также затрат на возмещение причиненного при этом ущерба окружающей среде.

Для нефти коэффициент извлечения составляет 0,3-0,4. Добыча нефти - хорошо отработанный технологический процесс.

Коэффициент извлечения природного газа составляет 0,5-0,8. Стоимость добычи, транспортировки, технологического оснащения, материалоемкость и энергозатраты для газа выше, чем для нефти. Для создания запасов газа требуется сооружение дорогостоящих, герметичных, чаще подземных газохранилищ большого объема.

Коэффициент извлечения угля составляет 0,25-0,5. Добыча угля (открытым или шахтным способом) - сложный, дорогостоящий технологический процесс, сопровождающийся значительно более высокими энергетическими и трудовыми затратами, чем добыча газа и нефти. Для угля характерны более высокие затраты на транспортировку и хранение.

При прочих равных условиях (добыча внутри государства или поставка по мировым ценам и др.) экономически наиболее предпочтительно использовать нефть, а наименее предпочтительно - уголь.

В процессе добычи, транспортировки, хранения, переработки и использования топлива происходит загрязнение окружающей среды, как самим топливом, так и продуктами сгорания.

Процесс добычи угля оказывает наибольшую нагрузку на окружающую среду. Эксплуатация угольного карьера сопровождается выводом из пользования больших земельных площадей, как правило, без последующей рекультивации. На большие расстояния разносится угольная пыль.

Наиболее значительное загрязнение окружающей среды нефтью и нефтепродуктами происходит в местах добычи, при аварийных и других случаях утечки в процессе транспортировки.

Загрязнение природной среды газом происходит за счет утечек при добыче, транспортировке и из газохранилищ.

При сгорании перечисленных видов топлива и продуктов их переработки в процессе использования происходит выброс в атмосферный воздух, а затем попадание в почву и воду таких загрязняющих веществ, как оксиды азота, серы, углерода, углеводороды, сажа (при неполном сгорании), тяжелые металлы и др. Относительные выбросы оксидов азота (отношение выбросов оксидов азота при сжигании данного топлива к выбросам при сжигании эталонного бестопливного азота) для природного газа составляют 0,25-0,75, для нефти - 0,8-2, для угля - 2,6-3,9. Аналогичное сравнение выбросов других веществ, а также валовых выбросов позволяет сделать вывод, что использование газа оказывает наименьшее отрицательное воздействие на окружающую среду.

В ядерном топливном цикле не используется кислород, в атмосферу не выбрасываются продукты горения, но происходит радиоактивное загрязнение окружающей среды, которое наиболее опасно для живой природы, в том числе для человека.

2.4. Преобразование энергии и оценка его эффективности

Энергию, способную совершить работу, называют вторичной (свободной). Эта энергия необходима для производства и хранения продуктов питания, приготовления пищи, создания комфортных условий для проживания, функционирования производства, транспорта и др. Поэтому все виды первичной энергии преобразуют во вторичную (механическую, тепловую, электрическую).

Основная часть электрической энергии производится теп-лоэлектрогенераторами "огневым способом" (сжиганием органического топлива). Часть электрической энергии получают преобразованием первичной энергии ядерного топлива в тепловую с последующим преобразованием в электрическую. Меньшая часть производится прямым преобразованием первичной возобновляемой энергии (воды, ветра, излучения Солнца, биомассы и др.). Незначительную часть электрической энергии получают путем проведения физико-химических процессов, протекающих при низких температурах (например, разложение воды на водород и кислород с последующим сжиганием водорода).

Тепловую энергию (основную часть) получают путем сжигания органического топлива в виде "лучистого тепла" (инфракрасное излучение) или теплоносителя (горячей воды, водяного пара под давлением и др.).

Незначительную часть тепловой энергии получают из возобновляемых источников:

- прямым поглощением солнечного излучения (солнечные коллекторы);

- аккумулированием энергии солнечного излучения;

- извлечением энергии недр Земли (геотермальное тепло);

- извлечением энергии горячих течений (морей, океана);

- извлечением энергии из вторичных энергоносителей (тепловые насосы);

- отбором части энергии электроэнергетических установок;

- извлечением энергии биохимических реакций (обогрев теплиц);

- извлечением энергии отходов жизнедеятельности, в том числе твердых (свалка).

Основную часть механической энергии получают с помощью различных двигателей, которые преобразуют в механическую энергию другие виды энергии, в большинстве случаев - электрическую (электродвигатели).

Для обеспечения работы транспорта используются двигатели внутреннего сгорания, газотурбинные и реактивные, которые в механическую энергию превращают энергию топлива.

Также механическую энергию получают из естественных источников:

- водяное колесо (гидротурбина);

- ветроколесо (ветряные мельницы и другие ветроэнергетические установки).

Наиболее доступной для использования является электрическая энергия. Для производства определенного количества свободной энергии необходимо построить электростанцию, добыть топливо, осуществить его транспортировку, обеспечить работу самой электростанции.

Общее количество электроэнергии, которое планируется получить от электростанции за срок ее службы, можно разделить на 2 части:

В настоящее время по всем видам ископаемого топлива отмечена тенденция к уменьшению значения энергоотдачи. Это объясняется усложнением добычи и ростом удаленности месторождений от энергопотребителей. Например, на перекачку газа от многих месторождений расходуется до 10 % энергии, заключенной в нем.

Энергоотдача позволяет объективно, независимо от неустойчивости денежных единиц, сравнивать между собой эффективность как различных источников энергии, так и производственных систем, включая учет затрат на восстановление среды. Коэффициент энергоотдачи в среднем по всем ТЭС, без разделения на отдельные виды топлива, равен 5. Коэффициент энергоотдачи АЭС (при коэффициенте использования мощности 0,7, содержании урана в руде 0,1 %) без учета затрат на демонтаж и захоронение отходов - 4, а с их учетом - 2.

Анализ функционирования топливно-энергетических объектов показывает, что экономически наиболее эффективны электростанции, не имеющие громоздкого топливного цикла: гидроэлектростанции, солнечные, ветряные, геотермальные и ряд других на возобновляемых источниках.

По мере усовершенствования технологий преобразования энергии возобновляемых источников происходит ее постоянное удешевление. Например, с 1970 по 2000 г. стоимость энергии, производимой солнечными элементами, снизилась с 60 долларов за киловатт-час до 24 центов, а на полупроводниковых системах - до 8-10 центов. Все элементы солнечных станций могут производиться в заводских условиях и монтироваться на месте установки. В этом случае не требуются расходы на транспортировку топлива и вырабатываемой электроэнергии и теплоты на большие расстояния. Поэтому энергоотдача энергетического комплекса на возобновляемых источниках намного выше, чем энергоотдача энергетических комплексов на традиционных источниках энергии.

При выработке тепло- и электроэнергии огневым способом (путем сжигания органического добываемого топлива) выброс парниковых газов составляет около 1,4 кг на 1 кВт-ч. Наиболее высокие уровни выброса С0₂ имеют электростанции, работающие на угле, наименьшие - работающие на природном газе. Ядерная энергетика дает значительно меньше выбросов, загрязняющих атмосферу, чем другие ТЭС. В конце 2000 г. 17 % мирового производства электроэнергии составляла энергия, выработанная на АЭС. Это позволило снизить выброс углекислого газа в атмосферу на 2,3 млрд т ежегодно.

Энергетика на возобновляемых источниках отличается огромными экологическими преимуществами, так как используются чистые неисчерпаемые энергоресурсы. Главная трудность на пути широкого внедрения альтернативной энергетики - это создание промышленной инфраструктуры, обеспечивающей ее функционирование.