Энергосбережение

В настоящее время при энергоснабжении жилых, коммунально-бытовых, сельскохозяйственных и промышленных потребителей используются, в основном, ископаемые органические виды топлива: сетевой и сжиженные газы, уголь, жидкие нефтепродукты, а также электроэнергия.

Однако ограниченность запасов в природе, невозобновляемость и, как следствие, постоянно растущая стоимость побуждают изыскивать мероприятия по их рациональному сберегающему использованию, а также внедрению экономически целесообразных возобновляемых источников топлива и тепловой энергии. Сильное загрязнение окружающей среды и связанные с этим материальный ущерб и ухудшение здоровья населения, имеющие место при прямом сжигании невозобновляемого органического топлива, еще более усиливают тенденции по его энергосбережению.

Кроме того, органическое топливо является ценнейшим и в настоящее время ничем не заменимым углеводородным сырьем для производства промышленных изделий, строительных материалов и конструкций, товаров народного потребления.

В результате рассмотрения передового отечественного и зарубежного опыта по экономии органического топлива, была создана схема энергосберегающих мероприятий применительно к системам тепло-газоснабжения и вентиляции для потребителей с малым и средним потреблением энергоресурсов: жилые дома, включая индивидуальные здания усадебного типа и коттеджи; малые промышленные и коммунальные предприятия; фермерские хозяйства. Основные мероприятия, сберегающие органическое невозобновляемое топливо в системах теплогазоснабжения
и вентиляции, приведены на рис. 1.

В данном учебном пособии рассмотрено использование возобновляемых источников энергии, наиболее широко применяемых для энергоснабжения малых и средних потребителей тепловой и электрической энергии. Рассмотрим и проанализируем указанные энергосберегающие мероприятия в последовательности, приведенной на рис. 1.

Возобновляемые источники энергоснабжения отличаются очень большим разнообразием: солнечная радиация, энергия наружного воздуха, грунта, надземных и подземных вод, ветра, приливов и отливов, разности плотнос­тей океанической воды по глубине, биомассы, древесины, биогаза, водорода из воды, геотермальных вод и т. д.

Как правило, возобновляемые источники имеют сравнительно невысокий энергетический потенциал и ограниченную область распространения. В связи с этим, в дальнейшем будут рассматриваться возобновляемые источники, обладающие хорошей доступностью и получившие в настоящее время наибольшее применение – солнечная радиация, энергия ветра, биогаза, геотермальных вод [1-6].

Рис. 1. Схема сберегающих мероприятий в системах теплогазоснабжения
и вентиляции малых и средних потребителей тепловой и электрической энергии

Интенсивные поиски экологически чистых возобновляемых источников энергии начались в семидесятые годы прошлого века во многих странах мира, в связи с «энергетическим кризисом» и резким усилением негативного воздействия различных промышленных энергетических объектов на состояние окружающей среды.

В России действует ряд государственных программ по применению возобновляемых источников энергии. В рамках данных программ проводятся работы по созданию и использованию эффективных ветроэлектрогенераторов различных классов мощности, солнечных систем энергоснабжения, биогазовых реакторов, геотермальных источников и других возобновляемых источников энергии.

В последнее время, в связи с резким удорожанием невозобновляемых органических энергоносителей (газ, уголь, жидкое топливо), актуальность применения возобновляемых источников энергии в России все более возрастает.

Потребности в энергии, как правило, не постоянны во времени. Традиционные энергостанции могут подстраиваться под колебания спроса на энергию, в течение суток регулируя расход топлива. При использовании же возобновляемых источников энергии колеблется не только спрос на энергию, но и мощность этих источников. В связи с этим, энергоустановки, использующие эти источники энергии, должны учитывать оба эти фактора, которые часто противоречат друг другу.

Под качеством источника энергии понимается доля энергии источника, которая может быть превращена в механическую работу или электрическую энергию. Количественным показателем такого превращения энергии является эксергетический коэффициент полезного действия. По этому признаку возобновляемые источники энергии можно разделить на три группы.

1. Источники механической и электрической энергии, например, использующие энергию воды, ветра, приливов и отливов. В целом, качество этих источников энергии высокое, и они обычно используются для производства электроэнергии. Качество ветровой энергии – обычно порядка 30%, гидроэнергии – 60%, волновой и приливной – 75%.

2. Тепловые возобновляемые источники энергии, к которым относятся биотопливо, тепловая энергия солнца и ряд других источников.
На практике превратить в работу удается примерно половину тепла. Для современных паровых турбин эта величина (качество тепловой энергии) не превышает 35%.

3. Источники энергии на основе фотонных процессов, к которым относятся источники, использующие фотосинтез и фотоэлектрические явления. Например, с помощью фотоэлектрических преобразователей солнечное излучение определенной частоты можно с высокой эффективностью преобразовать в механическую работу. Добиться высокой эффективности преобразования энергии во всем спектре солнечного излучения очень трудно, и на практике КПД фотопреобразователей, равный 15%, считается хорошим [1,4,6].

Ни один источник возобновляемой энергии не является универсальным, подходящим для использования в любой ситуации. Это всегда определяется конкретными природными условиями
и потребностями общества, то есть конкретной ситуацией. Поэтому для эффективного планирования энергетики на возобновляемых энергоресурсах необходимы, во-первых, систематические исследования окружающей среды, аналогичные геологическим исследованиям при поиске нефти, во-вторых, изучение потребностей конкретного региона в энергии для бытовых нужд, промышленного и сельскохозяйственного производства.

Применение возобновляемых источников энергии в России имеет свои особенности, по сравнению со странами Западной Европы и США, где они получили наибольшее распространение.

Сравнительно короткое лето и продолжительная холодная зима в средней полосе России резко ограничивают применение возобновляемых источников энергии, эффективность работы которых сильно зависит
от их температуры (воздух, грунт, вода, солнечное излучение). Вместе с тем, в США, где теплый период значительно продолжительнее, интенсивность солнечного излучения выше, а зима практически отсутствует, применение указанных возобновляемых энергоисточников гораздо шире, особенно для нужд теплоснабжения. В этом случае, количество получаемой от возобновляемого источника энергии на единицу затрачиваемых капвложений возрастает. Одновременно с этим, количество затрачиваемой энергии за счет снижения теплопотерь резко снижается.

Вместе с тем, для малых и средних потребителей применение таких возобновляемых источников энергии, как ветровая энергия и биогаз,
уже в настоящее время может быть экономически целесообразным в отдельных регионах России. Энергетический потенциал этих источников в значительно меньшей степени зависит от интенсивности солнечного излучения и температуры наружного воздуха. Особенно эффективно применение ветровой энергии будет осуществляться в прибрежных районах холодной и очень холодной климатических зон, где среднегодовая скорость ветра достигает 10 и более метров в секунду.

Другой особенностью применения возобновляемых источников энергии в России для настоящего периода постепенного перехода стоимости энергоносителей на мировые цены является сильная конкуренция со стороны таких невозобновляемых топливно-энергетических ресурсов, как природный газ, обеспечивающий высокий уровень сервиса при сравнительно невысокой стоимости. Наличие больших запасов этого вида топлива, а также наличие разветвленной системы газопроводов, смогут и в дальнейшем оказывать значительное влияние на внедрение возобновляемых источников, как в самой России, так и в других странах, имеющих широкий доступ к газообразному топливу.

Несмотря на имеющие трудности с созданием условий для крупномасштабного развития и внедрения возобновляемых источников энергоснабжения, их роль в энергетической стратегии России является важной не столько по количественным параметрам, сколько
по их экологическому эффекту и их значению для обеспечения энергетической безопасности.