Раздел 3. От энергосбережения к энергоэффективности

Энергоэффективность. При всей близости этого понятия к понятию энергосбережения все же оно несколько более широкое, чем последнее. Дело в том, что энергоэффективность включает также мероприятия, которые не дают прямой экономии энергоресурсов, однако влияют в целом на экономические показатели их использования. Например, вдувание угольной пыли в доменную печь вместо кокса не приводит к экономии топлива, зато экономит дефицитный кокс; структурные сдвиги в экономике могут влиять на уменьшение уровней потребления, однако к энергосберегающим мерам их можно отнести лишь условно. Энергоэффективность стала элементом официальной государственной политики в Украине после образования в 2006 г. Национального агентства Украины по вопросам обеспечения эффективного использования энергетических ресурсов. К его основным задачам отнесены проведение единой государственной политики в сфере использования энергетических ресурсов и энергосбережение, обеспечение увеличения доли возобновляемых и альтернативных видов топлива в энергетическом балансе Украины. В соответствии с последним обстоятельством остановимся более детально на проблеме замещения потребления традиционных видов топлива в нашей стране.

Терминологические замечания. В Украине присутствует значительный разнобой в терминологии, связанной с применением энергетических ресурсов, альтернативных традиционным. Хронологически первыми нормативно-правовыми документами в этой сфере стали Закон Украины «Об энергосбережении» (1994 г.) и Программа государственной поддержки развития нетрадиционных и возобновляемых источников энергии и малой гидрои теплоэнергетики (ПНВИЭ), одобренная распоряжением Кабинета Министров Украины в 1997 году. Первый из этих документов включает два определения:

• «вторичные энергетические ресурсы» – энергетический потенциал продукции, отходов, побочных и промежуточных продуктов, который образовывается в технологических агрегатах (установках, процессах) и не используется в самом агрегате, но может быть частично или полностью использован для энергоснабжения других агрегатов (процессов);
• «нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» – источники, которые постоянно существуют или периодически появляются в окружающей природной среде в виде потоков энергии Солнца, ветра, тепла Земли, энергии морей, океанов, рек, биомассы.

ПНВИЭ включает также термины сбросного энерготехнологического потенциала и альтернативных источников энергии.

В свою очередь Закон Украины «Об альтернативных источниках энергии» (2003 г.) дает следующее определение:

«альтернативные источники энергии – возобновляемые источники, к которым относят энергию солнечного излучения, ветра, морей, рек, биомассы, теплоты Земли, и вторичные энергетические ресурсы, которые существуют постоянно или возникают периодически в окружающей среде».

Эти разночтения в определениях следует урегулировать, так как они, по-разному трактуясь, переходят в законодательство, стимулирующее энергосбережение, и в итоге транспонируются на конкретные налоговые льготы на отдельные виды экономической деятельности.

Проблема замещения потребления традиционных видов топлива в Украине. Впервые направления развития в Украине энергетических ресурсов, альтернативных традиционным, определила ПНВИЭ. Она предусматривала интенсивное развитие возобновляемой энергетики и альтернативных источников энергии. Развитию возобновляемой энергетики фактически полностью посвящена часть 2 этого тома. Поэтому здесь мы акцентируем внимание только на перспективах использования в национальной экономике альтернативных видов топлива. Решение этой проблемы очень важно для ослабления энергетической зависимости Украины. Энергетическая стратегия Украины на период до 2030 года предусматривает уменьшение потребления природного газа национальной экономикой с 76,4 млрд. м 3 в 2005 г. до 49,5 млрд. м 3 в 2030 г. или почти на 36%. С точки зрения использования первичных источников энергии она предполагает замещение этого ресурса углем, потребление которого возрастет почти в 2 раза – до 130,3 млн. тонн. Однако конкретных путей этого замещения упомянутый документ не предусматривает.

Следует осознавать, что механическое замещение природного газа углем на уровне конкретных потребителей энергии является чаще всего технически невозможным или же требует значительных затрат на замену топливопотребляющего оборудования. Поэтому чрезвычайно актуальным является вопрос конверсии твердого топлива и/или других углеродсодержащих материалов к газообразному состоянию.

Закон Украины «Об альтернативных видах топлива» относит к альтернативным такие виды газового топлива:

• газ (метан) угольных месторождений, а также газ, полученный в процессе подземной газификации и подземного сжигания угольных пластов;
• газ, полученный во время переработки твердого топлива (каменный и бурый угли, горючие сланцы, торф), естественных битумов, тяжелой нефти;
• газ, содержащийся в водоносных пластах нефтегазовых бассейнов с аномально высоким пластовым давлением, в других подземных газонасыщенных водах, а также в газонасыщенных водохранилищах и болотах;
• газ, полученный из природных газовых гидратов, и подгидратный газ;
• биогаз, полигонный, генераторный газ в любом состоянии, биоводород, другое газовое топливо, полученное из биомассы; газ в любом состоянии, полученный при переработке твердого топлива (каменный и бурый уголь, горючие сланцы, торф), природных битумов, тяжелой нефти, нефтяного сырья;
• газ, полученный из промышленных отходов (газовых выбросов, сточных вод промышленной канализации, вентиляционных выбросов, отходов угольных обогатительных фабрик и т.п.);
• сжатый и сжиженный природный газ, сжиженный нефтяной газ, сопутствующий нефтяной газ, свободный газ метан, если они получены из газовых, газоконденсатных и нефтяных месторождений непромышленного значения и исчерпанных месторождений и не принадлежат к традиционным видам топлива.

Большинство из перечисленных здесь перспективных альтернативных источников топлива (например метан угольных месторождений и топливо из биологического сырья) не в состоянии компенсировать предвиденное сокращение импорта природного газа, исходя из реальных объемов их получения. Поэтому особый интерес для экономики на современном этапе представляют технологии производства синтетического газового топлива.

Напомним, что на начальных стадиях использования альтернативные источники энергии, как правило, являются более дорогими по сравнению с традиционными и требуют законодательной поддержки для их внедрения. Такая практика широко применяется в мировой экономике, особенно в странах ЕС, и является довольно дальновидной, принимая во внимание постепенный рост стоимости традиционных ТЭР.

Ныне Закон Украины «О внесении изменений в некоторые законодательные акты Украины о стимулировании мероприятий по энергосбережению» предусматривает, в частности, освобождение от налогообложения прибыли предприятий, полученной от продажи на таможенной территории Украины таких товаров собственного производства: оборудования, которое работает на нетрадиционных и возобновляемых источниках энергии; энергосберегающего оборудования и материалов, изделий, эксплуатация которых обеспечивает экономию и рациональное использование ТЭР; средств измерения, контроля и управления расходами ТЭР; оборудования для производства альтернативных видов топлива.

Начиная с 2009 г. значительное внимание уделяется развитию в Украине альтернативных источников энергии. В частности, принято законодательство об установлении «зеленого» тарифа, согласно которому электрическая энергия, произведенная на объектах электроэнергетики, использующих альтернативные источники энергии, будет приобретаться на основе повышенного тарифа по отношению к средневзвешенному тарифу на электрическую энергию. Однако в рамках этого закона понятие альтернативных источников энергии существенно сужено.

Так или иначе, технологии продуцирования альтернативных видов топлива на основе конверсии углеродсодержащих материалов должны быть достаточно эффективными, чтобы обеспечить надлежащий уровень рентабельности их производства. Динамика мировых цен на основные виды первичных энергоресурсов последних лет создает надлежащие предпосылки для развития упомянутых технологий. Действительно, мировые цены на нефть испытывают драматические изменения в сторону увеличения на протяжении нескольких лет; это же касается цен на природный газ, который поставляется в Украину по импорту.

Еще в ХІХ ст. в Европе широко использовался газ, который продуцировался на основе газификации угля; эти технологии путем целенаправленных исследований достигли наивысшего расцвета в первой половине прошлого столетия. Они основываются на неполном сжигании угля до монооксида углерода CO (известного также как угарный газ):

2С + O 2 → 2CO + 221,02 кДж

или на его пароводяной газификации: С + H 2 O → H 2 + CO – 118,82 кДж.

Получаемая на основе первого из этих процессов газовая смесь (так называемый воздушный газ или газ с другим названием, характеризующим способ проведения процесса) имеет относительно невысокую теплоту сгорания (до 4 МДж/ м3 ; для сравнения: теплота сгорания природного газа – 33,5–35,6 МДж/м3). Этот недостаток обусловлен значительным содержанием балластного азота из атмосферного воздуха, однако упомянутый процесс является технологически простейшим. Значительно более высокой является теплота сгорания так называемого синтез-газа H2+CO, получаемого во втором из процессов (до 11,1 МДж/м3). Этот продукт по содержанию водорода H2 является также максимально приближенным к составу жидких углеводородов, что способствует эффективности процесса дальнейшего получения из него синтетического жидкого топлива. Однако этот процесс является эндотермическим и требует дополнительных затрат энергии для его осуществления.

Однако уже во второй половине ХХ ст. технологии газификации угля и производства синтетического жидкого топлива преимущественно потеряли свою значимость вследствие дешевизны и доступности нефтегазовых ресурсов, что обусловило постепенное замещение использования угля природным газом.

Современные технологии продуцирования альтернативных видов топлива позволяют существенным образом расширить сырьевую базу для их производства. Например, в настоящее время в мировой практике широкое распространение получили технологии газификации угля в потоке, в кипящем слое, плотном слое или в расплаве. Они позволяют использовать уголь зольностью до 50%, в частности с высоким содержанием серы. Они активно развивались, например, с целью использования продуктов газификации в парогазовых установках электроэнергетики. Для получения альтернативных видов газового топлива в настоящее время используются даже твердые бытовые отходы (ТБО), являющиеся одним из видов углеродсодержащего сырья. Беспрецедентный рост мировых цен на нефтепродукты обусловил интерес к наращиванию энергетического использования ТБО путем производства электрической и тепловой энергии. При этом принимается во внимание, что калорийность 1 т ТБО несколько превышает калорийность 1 барреля нефти. Именно поэтому в Германии еще в 2003 г. работало 58, а в Франции – 123 завода, которые утилизировали 13,2 и 11,2 млн. т ТБО соответственно, а Стокгольм на 58% обеспечивает потребность в отоплении жилищного фонда за счет утилизации отходов. В Украине в последние годы ежегодно образуется немногим больше 10 млн. т ТБО, что представляет собой значительный энергетический ресурс.

Современные методы утилизации и обезвреживания отходов базируются на высокотехнологических процессах их газификации с получением синтетических горючих газов или на двухстадийном сжигании с использованием паровых, газовых, парогазовых турбин и газопоршневых двигателей. При этом вторая высокотемпературная стадия гарантированно обеспечивает полное обезвреживание продуктов переработки от образования диоксинов и фуранов. Выбросы современных электростанций, сжигающих ТБО, в несколько раз меньше по объему и вредности, чем выбросы угольных ТЭС.

Для переработки и гарантированного обезвреживания опасных отходов одними из наиболее эффективных признаны плазменные технологии. Они позволяют газифицировать наиболее низкокачественное углеродное сырье, а в случае опасных отходов – витрифицировать (остекловать) твердые остатки переработки, получаемые к тому же в минимальном количестве. Последнее позволяет безопасно хранить их в грунте или использовать в качестве строительного материала.

Плазменная газификация характеризуется тем, что тепло для проведения эндотермической по своему характеру реакции образования синтеза-газа из углеродсодержащего сырья вводится в систему, например, с водяной плазмой, а не за счет сжигания угля.

Недостатком отмеченного выше процесса получения синтез-газа является его энергозатратность. Тем не менее, расчеты показывают, что даже наиболее жесткий по энергетическим затратам процесс пароплазменной газификации в варианте конечного производства синтетического жидкого топлива становится экономически выгодным. Особенно целесообразной в этом случае является организация его производства в условиях ночного тарифа на электроэнергию и реализация преимуществ использования неравновесной плазмы.

Процесс пароплазменной газификации рассматривается в настоящее время также как возможный источник получения одного из видов нетрадиционного топлива – H2 – для технологий водородной энергетики. При этом он рассматривается как вторичный источник энергии для использования, например, на транспорте. Безусловное преимущество данных технологий – экологическая чистота, поскольку результатом окисления (сгорания) топлива в этом случае является вода.

Все вышеперечисленные технологии можно рассматривать как наиболее мощный источник для получения альтернативных видов топлива в индустриальных масштабах.

Энергосбережение с позиций термодинамики.

В 1928 г. В.И. Вернадский в работе «О задачах и организации прикладной научной работы АН СССР» высказал предположение, что может быть найден некий общий знаменатель, который позволит количественно сопоставлять все природные продуктивные силы. Своеобразным ответом на это предположение стал эксергетический анализ, введенный в научный оборот уже во второй половине ХХ ст. Сама эксергия – уникальный среди термодинамических понятий параметр, в определение которого входит окружающая среда. Вот почему она является перспективным инструментом для решения задач экологии, энергои ресурсосбережения. Понятие эксергии в термодинамике уже излагалось в т.2 (ч. 2, подраздел 2.5).

Основная проблема при анализе тех или иных технологических процессов по физическому критерию эффективности возникает в связи с теми из них, которые характеризуются энтропией, например тепловыми. Их физическую основу составляет неупорядоченное хаотическое движение молекул и атомов вещества. Выполнение работы в таких процессах сопряжено с их упорядочением и связано с неизбежными потерями части начальной энергии. Отражением этого факта является хрестоматийный для энергетиков пример идеального цикла Карно, определяющего ограничения на переход теплоты Q в работу L при заданных температурных условиях (нагревателя T 1 и охладителя T 2):

L = Q(T 1 – T 2) / T 1. (4.1) Напомним, что если в тепловой машине Карно поставить в соответствие температурам T 1 и T 2 количества теплоты Q 1 и Q 2, то с учетом первого закона термодинамики Q 2 = Q 1 – L, или после упрощений:

Q 1 / T 1 = Q 2 / T 2 = S. (4.2) Другими словами, в идеальном (или обратимом, без диссипативных потерь) процессе, каким является цикл Карно, энтропия S сохраняется. Напомним также, что согласно второму закону термодинамики необратимые процессы (характеризуемые потерями и соответственно снижением выполняемой работы L в случае цикла Карно) сопровождаются только повышением энтропии.

Уже это предварительное обсуждение позволяет строго сформулировать на качественном уровне требования к любым процессам с точки зрения их энергоэффективности: энергию как таковую сберегать не нужно, об этом автоматически «заботится» первый закон термодинамики – закон сохранения энергии, нужно сохранять ее способность выполнять работу. Понятно, что это соответствует, в частности, борьбе с возрастанием энтропии, однако не дает ключ для количественных оценок достижимых эффектов. Эту проблему позволяет решить эксергия – свойство термодинамической системы или потока энергии, характеризуемое количеством работы, которое может быть получено внешним приемником энергии, при обратимом их взаимодействии с окружающей средой до установления полного равновесия.

В понятии эксергии учитываются оба начала термодинамики: работу можно извлечь лишь в том случае, если тело не находится в равновесии с окружающей средой, максимальную работу можно получить только при обратимом протекании процессов. Возвращаясь к примеру идеального цикла Карно, можно проследить основные закономерности, связанные с введением понятия эксергии. Действительно, максимально достижимому значению работы L = L мак с в этом цикле соответствует температура теплоприемника, равная температуре окружающей среды T 2 = T о.с. :

L мак с = Q( T 1 – T о.с.)/ T 1. (4.3) C учетом (4.2) получим соотношение

L мак с = Q 1 – T о. с S, (4.4) из которого четко следует, что способность системы к выполнению работы ограничивается энтропией. Напомним, что энтропия устанавливает глубинную связь макросостояния термодинамической системы (плотности, энергии и т.д.) с ее статистическими свойствами вследствие неупорядоченного молекулярного движения (см. также т. 2, ч. 2, подраздел 2.8).

Для перехода к собственно эксергии E q путем обобщения (4.4) следует включить также в рассмотрение окружающую среду и ее способность взаимодействовать с рабочим телом за счет перепада давления p или запасов внутренней энергии U :

E q = – Δ ( U + p о. с V – T о. с S), (4.5) где V – объем рабочего тела.

Здесь следует учесть, что энтропия системы «рабочее тело – окружающая среда» в целом остается неизменной из-за обратимости процесса, однако это ограничение не распространяется на рабочее тело вследствие теплообмена внутри системы.

Поскольку энтропия во всех реальных системах может только возрастать, то согласно (4.4) и (4.5) эксергия, наоборот, только уменьшаться.

Подчеркнем, что в вышеприведенном определении эксергии не обязательно фигурирует механическая работа; например, для прямых методов преобразования тепловой энергии в электрическую это может быть электрическая энергия или, строго говоря, любая безэнтропийная энергия.

Принципиальным является факт введения в определение эксергии параметров окружающей среды. Для множества практических задач, связанных, например, с возобновляемыми источниками энергии, оно является неизбежным и, кроме того, естественно распространяет предлагаемый подход и на экологические задачи. Тем более, что эксергетический подход допускает также обобщение на химическую энергию веществ (как топлива, так и других соединений, используемых в энергетических и технологических процессах). Это позволяет определять количества выделяемой и потребляемой энергии (тепла) в этих процессах, не прибегая к составлению каждый раз всех протекающих в них химических реакций. При этом для отсчета эксергии принимаются те вещества окружающей среды, для которых данный параметр может быть равен нулю: продукты выветривания, гидросфера и атмосфера (здесь они находятся в состоянии, близком к равновесию с другими компонентами окружающей среды).

Логика дальнейшего обобщения эксергетического подхода на проблемы природопользования такова. Ресурсы природы ограничены, с этим обстоятельством, собственно, связана острота проблем энергосбережения и экологии, являющихся «двумя сторонами одной медали». Дефициту подвержены не только энергетические ресурсы, но и другие их виды – руды, вода, пища и т.п. В силу законов сохранения они не исчезают с нашей планеты, но рассеиваются в ней. Все эти процессы – еще одно проявление второго закона термодинамики. Отбросы производства все возрастают, а ни одно живое существо не может жить в среде своих отбросов.

Вот почему эксергия – единственное среди термодинамических понятий, в определение которого входит окружающая среда (или окружение технической системы), – является перспективным инструментом для решения задач энергои ресурсосбережения. С другой стороны, она дает возможность оценивать воздействие технических систем на окружение.

В реальных процессах, которые всегда необратимы, подведенная энергия не теряется, снижается лишь ее пригодность к совершению работы из-за безвозвратных потерь эксергии. Таким образом, определение потерь эксергии в различных звеньях любого технологического процесса позволяет выявить и количественно оценить причины низкого уровня использования энергии в нем и получить информацию о возможностях повышения его к.п.д. Именно это и нужно при разработке технологических процессов. Вот почему эксергетический метод термодинамического исследования получил большое распространение. Кроме того, понятие эксергии оказалось полезным в экономике при решении, например, таких специфических задач, как разнесение затрат в совместном производстве тепловой и электрической энергии.

В целом эксергетический анализ дает информацию относительно возможного улучшения термодинамических процессов, но только экономический анализ позволяет решить, рационально такое улучшение или нет. Если провести параллели, то в этом, собственно, состоит различие между энергосбережением и энергоэффективностью на глубинном уровне.

Подытоживая эту часть книги, посвященную проблеме энергосбережения, следует подчеркнуть, что сегодня оно является органическим элементом современной мировой культуры, пронизанной идеями рационального природопользования, стержнем своеобразной философии самоограничения потребления на уровне разумной достаточности (рис. 3.1.). Вместе с тем энергосбережение стало реальным фактором экономики, позволяющим в ряде случаев замещать строительство дорогостоящих дополнительных электрических станций относительно дешевыми мероприятиями по энергосбережению.

Энергосбережение стало одной из приоритетных задач человека из-за дефицита основных энергоресурсов, возрастающей стоимости их добычи, а также в связи с глобальными экологическими проблемами.

Рис. 3.1. Детский рисунок с конкурса «Энергосбережение для всех и для каждого» (Миндалев Саша, 8 лет «Все течет – все меняется»), г. Пенза

В отличие от развитых стран, где энергосбережение часто является компонентом экономической и экологической целесообразности, для Украины это – ключевой вопрос успешного ее развития, поскольку до настоящего времени все еще не решена проблема сбалансированного платежеспособного потребления ТЭР как внутреннего, так и по импорту.

Следует помнить также, что развитые страны в процессе эволюционного развития последних десятилетий более или менее последовательно решили в основном проблемы национальной энергоэффективности и энергетической безопасности, а в настоящее время – устойчивого развития. Украина же пребывает практически одновременно во всех фазах этого процесса. Тем не менее энергосбережение является ключевой проблемой для успешного решения всех этих задач.

Что может сделать каждый: