Розділ 2. Гідроенергетичні ресурси, їх використання. Принципові схеми, параметри, режими роботи ГЕС і ГАЕС

Енергоефективність. При всій близькості цього поняття до поняття енергозбереження воно все-таки дещо ширше, ніж останнє. Справа в тому, що енергоефективність включає також заходи, які не дають прямої економії енергоресурсів, однак впливають у цілому на економічні показники при їх використанні. Наприклад, вдування вугільного пилу в доменну піч замість коксу не приводить до економії палива, зате заощаджує дефіцитний кокс; структурні зрушення в економіці можуть впливати на зменшення рівнів споживання, однак до енергозберігаючих заходів їх можна віднести лише умовно. Енергоефективність стала елементом офіційної державної політики в Україні після утворення в 2006 р. Національного агентства України з питань забезпечення ефективного використання енергетичних ресурсів. До його основних завдань віднесено проведення єдиної державної політики в сфері використання енергетичних ресурсів та енергозбереження, забезпечення збільшення частки відновлювальних і альтернативних видів палива в енергетичному балансі України. Відповідно до останньої обставини зупинимося більш детально на проблемі заміщення споживання традиційних видів палива в нашій країні.

Термінологічні зауваження. В Україні присутня значна розбіжність у термінології, пов’язаній із застосуванням енергетичних ресурсів, альтернативних традиційним. Хронологічно першими нормативно-правовими документами в цій сфері стали Закон України «Про енергозбереження» (1994 р.) і Програма державної підтримки розвитку нетрадиційних та відновлюваних джерел енергії та малої гідроі теплоенергетики (ПНВДЕ), схвалена розпорядженням Кабінету Міністрів України в 1997 році. Перший із цих документів включає два означення:

• «вторинні енергетичні ресурси» – енергетичний потенціал продукції, відходів, побічних і проміжних продуктів, що утворюється в технологічних агрегатах (установках, процесах) і не використовується в самому агрегаті, але може бути частково або повністю використаний для енергопостачання інших агрегатів (процесів);
• «нетрадиційні і поновлювані джерела енергії» – джерела, які постійно існують або періодично з’являються в навколишньому природному середовищі у вигляді потоків енергії Сонця, вітру, тепла Землі, енергії морів, океанів, річок, біомаси.

ПНВДЕ включає також терміни скидного енерготехнологічного потенціалу і альтернативних джерел енергії.

У свою чергу Закон України «Про альтернативні джерела енергії» (2003 р.) дає наступне визначення:

«альтернативні джерела енергії – відновлювальні джерела, до яких відносять енергію сонячного випромінювання, вітру, морів, річок, біомаси, теплоти Землі, і вторинні енергетичні ресурси, які існують постійно або виникають періодично в навколишньому середовищі».

Ці різночитання у визначеннях варто врегулювати, тому що вони, по-різному трактуючись, переходять у законодавство, що стимулює енергозбереження, і в підсумку транспонуються на конкретні податкові пільги на окремі види економічної діяльності.

Проблема заміщення споживання традиційних видів палива в Україні. Уперше напрямки розвитку в Україні енергетичних ресурсів, альтернативних традиційним, визначила ПНВДЕ. Вона передбачала інтенсивний розвиток відновлювальної енергетики і альтернативних джерел енергії. Розвитку відновлювальної енергетики фактично повністю присвячена частина 2 цього тому. Отже, тут ми акцентуємо увагу тільки на перспективах використання в національній економіці альтернативних видів палива. Вирішення цієї проблеми дуже важливе для послаблення енергетичної залежності України. Енергетична стратегія України на період до 2030 року передбачає зменшення споживання природного газу національною економікою з 76,4 млрд. м3 в 2005 р. до 49,5 млрд. м3 в 2030 р., або майже на 36%. З погляду використання первинних джерел енергії вона передбачає заміщення цього ресурсу вугіллям, споживання якого зросте майже в 2 рази – до 130,3 млн. тонн. Однак конкретних шляхів цього заміщення згаданий документ не визначає.

Варто усвідомлювати, що механічне заміщення природного газу вугіллям на рівні конкретних споживачів енергії є найчастіше технічно неможливим або ж вимагає значних витрат на заміну паливоспоживаючого устаткування. Тому надзвичайно актуальним є питання конверсії твердого палива і/або інших вуглецевмісних матеріалів до газоподібного стану.

Закон України «Про альтернативні види палива» відносить до альтернативних такі види газового палива:

• газ (метан) вугільних родовищ, а також газ, отриманий у процесі підземної газифікації і підземного спалювання вугільних пластів;

• газ, отриманий під час переробки твердого палива (кам’яне та буре вугілля, горючі сланці, торф), природних бітумів, важкої нафти;

• газ, що утримується у водоносних шарах нафтогазових басейнів з аномально високим пластовим тиском, в інших підземних газонасичених водах, а також у газонасичених водоймищах та болотах;

• газ, отриманий із природних газових гідратів, і підгідратний газ;

• біогаз, полігонний, генераторний газ у будь-якому стані, біоводень, інше газове паливо, отримане з біомаси; газ у будь-якому стані, отриманий при переробці твердого палива (кам’яне і буре вугілля, горючі сланці, торф), природних бітумів, важкої нафти, нафтової сировини;

• газ, отриманий із промислових відходів (газових викидів, стічних вод промислової каналізації, вентиляційних викидів, відходів вугільних збагачувальних фабрик і т.п.);

• стиснений і зріджений природний газ, зріджений нафтовий газ, що супроводжує нафтовий газ, вільний газ метан, якщо вони отримані з газових, газоконденсатних і нафтових родовищ непромислового значення та з вичерпаних родовищ і не належать до традиційних видів палива.

Більшість із перерахованих тут перспективних альтернативних джерел палива (наприклад метан вугільних родовищ і паливо з біологічної сировини) не в змозі компенсувати передбачене скорочення імпорту природного газу, виходячи з реальних обсягів їх одержання. Тому особливий інтерес для економіки на сучасному етапі становлять технології виробництва синтетичного газового палива.

Нагадаємо, що на початкових стадіях їх використання альтернативні джерела енергії, як правило, є більш дорогими в порівнянні з традиційними і вимагають законодавчої підтримки для впровадження. Така практика широко застосовується у світовій економіці, особливо в країнах ЄС, і є досить далекоглядною, беручи до уваги поступове зростання вартості традиційних ПЕР.

Нині Закон України «Про внесення змін у деякі законодавчі акти України про стимулювання заходів щодо енергозбереження» передбачає, зокрема, звільнення від оподаткування прибутку підприємств, отриманого від продажу на митній території України таких товарів власного виробництва: устаткування, що працює на нетрадиційних і відновлювальних джерелах енергії; енергозберігаючого устаткування і матеріалів, виробів, експлуатація яких забезпечує економію і раціональне використання ПЕР; засобів вимірювання, контролю та управління витратами ПЕР; устаткування для виробництва альтернативних видів палива.

Починаючи з 2009 р. значна увага приділяється розвитку в Україні альтернативних джерел енергії. Зокрема, прийняте законодавство про встановлення «зеленого» тарифу, відповідно до якого електрична енергія, вироблена на об'єктах електроенергетики, що використовують альтернативні джерела енергії, буде відпускатися на основі підвищеного тарифу відносно середньозваженого тарифу на електричну енергію. Однак у рамках цього закону поняття альтернативних джерел енергії істотно звужено.

Так чи інакше, технології продукування альтернативних видів палива на основі конверсії вуглецевмісних матеріалів повинні бути досить ефективними, щоб забезпечити належний рівень рентабельності їх виробництва. Динаміка світових цін на основні види первинних енергоресурсів останніх років створює належні передумови для розвитку згаданих технологій. Дійсно, світові ціни на нафту драматично змінюються в бік збільшення протягом декількох років; це ж стосується цін на природний газ, що поставляється в Україну по імпорту.

Ще в ХІХ ст. у Європі широко використовувався газ, що продукувався на основі газифікації вугілля; ці технології шляхом цілеспрямованих досліджень досягли найвищого розквіту в першій половині минулого сторіччя. Вони ґрунтуються на неповному спалюванні вугілля до монооксиду вуглецю CO (відомого також як чадний газ):

2С + O2 > 2CO + 221,02 кДж або на його пароводяній газифікації:

С + H2O > H2 + CO – 118,82 кДж.

Одержувана на основі першого із цих процесів газова суміш (так званий повітряний газ або газ з іншою назвою, що характеризує спосіб проведення процесу) має відносно невисоку теплоту згоряння (до 4 МДжм3; для порівняння: теплота згоряння природного газу – 33,5–35,6 МДжм3). Цей недолік обумовлений значним вмістом баластового азоту з атмосферного повітря, однак згаданий процес є технологічно найпростішим. Значно більш високою є теплота згоряння так званого синтез-газу H2 + CO, одержуваного в другому з процесів (до 11,1 МДж/м3). Цей продукт за вмістом водню H2 є також максимально наближеним до складу рідких вуглеводнів, що сприяє ефективності процесу подальшого одержання з нього синтетичних рідких палив. Однак цей процес є ендотермічним і вимагає додаткових витрат енергії для його здійснення.

Проте вже в другій половині ХХ ст. технології газифікації вугілля і виробництва синтетичного рідкого палива переважно втратили свою значимість внаслідок дешевизни і доступності нафтогазових ресурсів, що обумовило поступове заміщення використання вугілля природним газом.

Сучасні технології продукування альтернативних видів палива позводозволяють істотно розширити сировинну базу для їх виробництва. Наприклад, на сьогодні у світовій практиці є досить поширеними технології газифікації вугілля в потоці, у киплячому шарі, щільному шарі або в розплаві. Ці технології дозволяють використовувати вугілля зольністю до 50%, зокрема з високим вмістом сірки. Вони активно розвивалися, зокрема, з метою використання продуктів газифікації в парогазових установках електроенергетики.

Для одержання альтернативних видів газового палива на сьогодні використовуються навіть тверді побутові відходи (ТПВ), які є одним з різновидів вуглецевмісної сировини. Безпрецедентне зростання світових цін на нафтопродукти обумовило інтерес до нарощування енергетичного використання ТПВ шляхом виробництва електричної та теплової енергії. При цьому слід враховувати, що калорійність 1 т ТПВ трохи перевищує калорійність 1 бареля нафти. Саме тому в Німеччині ще в 2003 р. працювало 58, а у Франції 123 заводи, які утилізували 13,2 і 11,2 млн. т ТПВ відповідно, а Стокгольм на 58% забезпечує потреби в опаленні житлового фонду за рахунок утилізації відходів. В Україні в останні роки щорічно утворюється понад 10 млн. т ТПВ, що є значним енергетичним ресурсом.

Сучасні методи утилізації і знешкодження відходів базуються на високо технологічних процесах їх газифікації з одержанням синтетичних горючих газів або на двостадійному спалюванні з використанням парових, газових, парогазових турбін і газопоршневих двигунів. При цьому друга високотемпературна стадія гарантовано забезпечує повне знешкодження продуктів переробки від утворення диоксинів і фуранів. Викиди сучасних електростанцій, що спалюють ТПВ, є у кілька разів меншими за обсягом і шкідливістю, ніж викиди вугільних ТЕС.

Для переробки і гарантованого знешкодження небезпечних відходів одними з найбільш ефективних визнані плазмові технології. Вони дозволяють газифікувати найбільш низькоякісну вуглецеву сировину, а у випадку небезпечних відходів – вітрифікувати (осклити) тверді залишки переробки, одержувані до того ж у мінімальній кількості. Останнє дозволяє безпечно зберігати їх у ґрунті або використовувати як будівельний матеріал.

Плазмова газифікація характеризується тим, що тепло для проведення ендотермічної за своїм характером реакції утворення синтез-газу з вуглецевмісної сировини вводиться в систему, наприклад, з водяною плазмою, а не за рахунок спалювання вугілля.

Недоліком такого процесу одержання синтез-газу є його енергозатратність. Проте розрахунки показують, що навіть найбільш жорсткий за енергетичними витратами процес пароплазмової газифікації у варіанті кінцевого виробництва синтетичного рідкого палива нині стає економічно вигідним. Особливо доцільною в цьому випадку є організація його виробництва в умовах нічного тарифу на електроенергію і реалізація переваг використання нерівноважної плазми.

Процес пароплазмової газифікації нині розглядається також як можливе джерело одержання одного з видів нетрадиційного палива – H2 – для технологій водневої енергетики. При цьому він розглядається як вторинне джерело енергії для використання, наприклад, на транспорті. Безумовна перевага даних технологій – екологічна чистота, оскільки результатом окислювання (спалювання) палива в цьому випадку є вода.

Всі перераховані вище технології можна розглядати як найбільш потужне джерело для одержання альтернативних видів палива в індустріальних масштабах.

Енергозбереження з позицій термодинаміки. У 1928 р. В.І. Вернадський у праці «Про завдання і організацію прикладної наукової роботи в АН СРСР» висловив припущення, що може бути знайдений якийсь загальний знаменник, який дозволить кількісно зіставляти всі природні продуктивні сили. Своєрідною відповіддю на це припущення став ексергетичний аналіз, уведений в науковий обіг уже в другій половині ХХ ст. Сама ексергія – унікальний серед термодинамічних понять параметр, у визначення якого входить навколишнє середовище. От чому вона є перспективним інструментом для вирішення задач екології, енергоі ресурсозбереження. Поняття ексергії в термодинаміці вже викладалося в т.2 (ч. 2, підрозділ 2.5).

Основна проблема при аналізі тих або інших технологічних процесів за фізичним критерієм ефективності виникає щодо тих з них, які характеризуються ентропією, наприклад теплових. Їх фізичну основу становить неупорядкований хаотичний рух молекул і атомів речовини. Виконання роботи в таких процесах пов’язане з його упорядкуванням і супроводжується неминучими втратами частини початкової енергії. Відображенням цього факту є хрестоматійний для енергетиків приклад ідеального циклу Карно, що визначає обмеження на перехід теплоти Q у роботу L при заданих температурних умовах (нагрівача T1 і охолоджувача T2):

L = Q(T1 – T2) T1. (4.1) Нагадаємо, що якщо в тепловій машині Карно поставити у відповідність температурам T1 і T2 кількості теплоти Q1 і Q2, то з урахуванням першого закону термодинаміки Q2 = Q1 – L, або після спрощень:

Q1/T1 = Q2/T2= S. (4.2) Інакше кажучи, в ідеальному (або оборотному, без дисипативних втрат) процесі, яким є цикл Карно, ентропія S зберігається. Нагадаємо також, що відповідно до другого закону термодинаміки незворотні процеси (що характеризуються втратами і відповідно зниженням виконуваної роботи L у випадку циклу Карно) супроводжуються тільки підвищенням ентропії.

Уже це попереднє обговорення дозволяє строго сформулювати на якісному рівні вимоги до будь-яких процесів з погляду їх енергоефективності: енергію як таку зберігати не потрібно, про це автоматично «піклується» перший закон термодинаміки – закон збереження енергії, потрібно зберігати її здатність виконувати роботу. Зрозуміло, що це відповідає, зокрема, боротьбі зі зростанням ентропії, однак не дає ключ для кількісних оцінок досяжних ефектів. Цю проблему дозволяє вирішити ексергія – властивість термодинамічної системи або потоку енергії, що характеризується кількістю роботи, яка може бути отримана зовнішнім приймачем енергії, при оборотній їх взаємодії з навколишнім середовищем до встановлення повної рівноваги.

У понятті ексергії враховуються обидва начала термодинаміки: роботу можна виконати лише в тому випадку, якщо тіло не перебуває у рівновазі з навколишнім середовищем, максимальну роботу можна одержати тільки при оборотному перебігу процесів. Повертаючись до прикладу ідеального циклу Карно, можна простежити основні закономірності, пов’язані з введенням поняття ексергії. Дійсно, максимально досяжному значенню роботи L = Lмакс у цьому циклі відповідає температура теплоприймача, що дорівнює температурі навколишнього середовища T2 = Tн.с.:

Lмакс = Q(T1 – Tн.с.)/T1. (4.3) З урахуванням (3.2) одержимо співвідношення

Lмакс = Q1 – Tн.с S, (4.4) з якого чітко випливає, що здатність системи до виконання роботи обмежується ентропією. Нагадаємо, що ентропія встановлює глибинний зв’язок макростану термодинамічної системи (щільності, енергії і т.д.) з її статистичними властивостями внаслідок неупорядкованого молекулярного руху (див. також т. 2, ч. 2, підрозділ 2.8).

Для переходу до власне ексергії Eq шляхом узагальнення (3.4) слід включити також у розгляд навколишнє середовище і його здатність взаємодіяти з робочим тілом за рахунок перепаду тиску p або запасів внутрішньої енергії U:

Eq = – ?(U + pн.с V – Tн.с S), (4.5) де V – об’єм робочої речовини.

Тут треба врахувати, що ентропія системи «робоча речовина – навколишнє середовище» в цілому залишається незмінною через зворотність процесу, однак це обмеження не поширюється на робоче тіло внаслідок теплообміну усередині системи.

Оскільки ентропія у всіх реальних системах може тільки зростати, то згідно (3.4) і (3.5) ексергія, навпаки, тільки зменшуватися.

Наголосимо, що у вищенаведеному визначенні ексергії не обов’язково фігурує механічна робота; наприклад, для прямих методів перетворення теплової енергії в електричну це може бути електрична енергія або, строго кажучи, будь-яка безентропійна енергія.

Принциповим є факт введення до визначення ексергії параметрів навколишнього середовища. Для багатьох практичних задач, пов’язаних, наприклад, з відновлювальними джерелами енергії, воно є неминучим і, крім того, природно поширює пропонований підхід і на екологічні задачі. Тим більше, що ексергетичний підхід допускає також узагальнення на хімічну енергію речовин (як палива, так і інших сполук, що використовуються в енергетичних і технологічних процесах). Це дозволяє визначити кількість енергії (тепла), що виділяється і споживається в цих процесах, не звертаючись щоразу до конкретної сукупності хімічних реакцій, які протікають у них. При цьому для відліку ексергії приймаються ті речовини навколишнього середовища, для яких даний параметр може дорівнювати нулю: продукти вивітрювання, гідросфера і атмосфера (тут вони перебувають у стані, близькому до рівноваги з іншими компонентами навколишнього середовища).

Логіка подальшого узагальнення ексергетичного підходу на проблеми природокористування така. Ресурси природи обмежені, з цією обставиною, власне, пов’язана гострота проблем енергозбереження і екології, що є «двома сторонами однієї медалі». До дефіцитних відносяться не тільки енергетичні ресурси, але й інші їх види – руди, вода, їжа і т.п. У силу законів збереження вони не зникають із нашої планети, але розсіюються в ній. Всі ці процеси – ще один прояв другого закону термодинаміки. Відходи виробництва все зростають, а жодна жива істота не може жити в середовищі своїх відходів.

От чому ексергія – єдине серед термодинамічних понять, у визначення якого входить навколишнє середовище (або оточення технічної системи), – є перспективним інструментом для розв’язання завдань енергоі ресурсозбереження. З іншого боку, вона дає можливість оцінювати вплив технічних систем на своє оточення.

У реальних процесах, які завжди є необоротними, підведена енергія не втрачається, знижується лише її здатність до здійснення роботи через незворотні втрати ексергії. Таким чином, визначення втрат ексергії в різних ланках будь-якого технологічного процесу дозволяє виявити і кількісно оцінити причини низького рівня використання енергії в ньому і одержати інформацію про можливості підвищення його к.к.д. Саме це і потрібно при розробці технологічних процесів. От чому ексергетичний метод термодинамічного дослідження одержав велике поширення. Крім того, поняття ексергії виявилося корисним в економіці при розв’язанні, наприклад, таких специфічних задач, як рознесення витрат енергоресурсів у спільному виробництві теплової і електричної енергії.

У цілому ексергетичний аналіз надає інформацію щодо можливого поліпшення термодинамічних процесів, але тільки економічний аналіз дозволяє вирішити, чи є раціональним таке поліпшення. Якщо провести паралелі, то в цьому, власне, і є розбіжність між енергозбереженням та енергоефективністю на глибинному рівні.

Підсумовуючи цю частину книги, присвячену проблемі енергозбереження, слід підкреслити, що сьогодні воно є органічним елементом сучасної світової культури, пронизаної ідеями раціонального природокористування, стрижнем своєрідної філософії самообмеження споживання на рівні розумної доцільності. Разом з тим енергозбереження стало реальним фактором економіки, який дозволяє в ряді випадків заміщати навіть будівництво дорогих додаткових електричних станцій відносно дешевими заходами з енергозбереження.

На відміну від розвинених країн, де енергозбереження зазвичай є компонентом економічної і екологічної доцільності, для України це – ключове питання успішного її розвитку, оскільки дотепер усе ще не вирішена проблема збалансованого платоспроможного споживання ПЕР, як внутрішнього, так і по імпорту.

Мал. 3.1. Дитячий малюнок з конкурсу «Енергозбереження для всіх і для кожного» (Міндальов Саша, 8 років «Усе тече – все змінюється»), м. Пенза

Енергозбереження стало одним із пріоритетних завдань людини через дефіцит основних енергоресурсів, зростаючу вартість їх добування, а також у зв’язку з глобальними екологічними проблемами.

Слід пам’ятати також, що розвинені країни в процесі еволюційного розвитку останніх десятиліть більш-менш послідовно вирішили в основному проблеми національної енергоефективності і енергетичної безпеки, а на сьогодні – зосередились на проблемі сталого розвитку. Україна ж перебуває практично одночасно у всіх фазах цього процесу. Проте енергозбереження є визначальною ланкою для успішного вирішення низки цих проблем.

Що може зробити кожен: