Введение в энергетику; основные термины и определения

Министерство науки и высшего образования РФ ИНСТИТУТ ДИСТАНЦИОННОГО И ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ Кафедра Электрсонабжения промышленных предприятий и электротехнологий ДИСЦИПЛИНА «ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ» Конспект лекций Москва 2020 СОДЕРЖАНИЕ ТЕМА 1. Лекция 1 «Введение в энергетику. Основные термины и определения курса. История и основы функционирования энергетики и электроэнергетики» 3 Содержание Лекции 1 3 1.1. Цель, задачи и содержание дисциплины 3 1.2. Основные понятия, термины и определения курса 5 1.3. Историческая эволюция энергетики 13 1.4. Основы функционирования энергетики и электроэнергетики 19 1.5. Добыча топливно-энергетических ресурсов 21 1.6. Производство электрической и тепловой энергий 27 1.7. Транспортировка, распределение и потребление тепловой энергии 28 1.8. Транспортировка, распределение и потребление электроэнергии 31 Контрольные вопросы 42 ТЕМА 2. Лекция 2 «Энергия. Топливно-энергетические ресурсы (ТЭР). Топливо. ВИЭ. Вторичные ТЭР» 43 Содержание Лекции 2 43 2.1. Понятие «Энергия» 43 2.2. Виды энергии 46 2.3. Топливно-энергетические ресурсы (ТЭР). Классификация 47 2.4. Виды топлива, их характеристика и запасы 48 2.5. Единицы измерения энергии и энергоресурсов. Условное топливо 55 2.6. Вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) 57 2.7. Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) 60 Контрольные вопросы 63 ТЕМА 3. Лекция 3 «Энергосбережение. Характеристика энергосбережения как вида деятельности. Нормативно-правовая база. Методы и формы энергосбережения» 64 Содержание Лекции 3 64 3.1. Актуальность энергосбережения как вида деятельности 64 3.2. Стратегические документы и нормативная база Российской Федерации в области энергосбережения 67 3.3. Методы и формы энергосбережения 74 Контрольные вопросы 77 ТЕМА 3. Лекция 4 «Нормирование энергопотребления. Энергобалансы. Оценка эффективности энергоиспользования. Энергосберегающие мероприятия» 78 Содержание Лекции 4 78 4.1. Нормирование энергопотребления 78 4.2. Энергетические балансы 88 4.3. Оценка эффективности использования ТЭР 90 4.4. Оценка эффективности энергосберегающих мероприятий 92 Контрольные вопросы 95 Литература 96 ТЕМА 1. Лекция 1 «Введение в энергетику. Основные термины и определения курса. История и основы функционирования энергетики и электроэнергетики» Содержание Лекции 1 1.1. Цель, задачи и содержание дисциплины 1.2. Основные понятия, термины и определения курса 1.3. Энергетика и её историческая эволюция 1.4. Основы функционирования энергетики и электроэнергетики 1.5. Добыча топливно-энергетических ресурсов 1.6. Производство электрической и тепловой энергий 1.7. Транспортировка, распределение и потребление тепловой энергии 1.8. Транспортировка, распределение и потребление электроэнергии 1.1. Цель, задачи и содержание дисциплины Цель дисциплины – изучение теоретических и практических основ энергосбережения. Задачи дисциплины: • изучить терминологию, основы и принципы функционирования энергетики; • изучать подходы к анализу процессов энергоиспользования; • изучить методы и формы энергосбережения. В результате изучения дисциплины студент должен: • знать основные термины и понятия в области энергосбережения и основы функционирования энергетики и топливно-энергетического комплекса; • знать основные методы, способы и формы энергосбережения; • уметь производить расчеты с различными видами топливно-энергетических ресурсов; • уметь оценивать эффективность процессов энергоиспользования, рассчитывать энергобалансы и оценивать эффективность энергосберегающих мероприятий. Структура дисциплины приведены в табл. 1.1. Таблица 1.1 – Структура дисциплины «Энергосбережение» № Раздел (Тема) Занятия Контрольные мероприятия 1 Введение в энергетику. Основные термины и определения курса. Эволюция энергетики. Основы функционирования энергетики и электроэнергетики. Топливно-энергетический комплекс. Лекция 1 «Введение в энергетику. Основные термины и определения курса. История и основы функционирования энергетики и электроэнергетики». Практическое занятие 1 «Топливно-энергетический комплекс России». Тест №1 «Энергетика и топливно-энергетический комплекс. Термины и определения курса». 2 Энергия. Топливно-энергетические ресурсы (ТЭР). Топливо. Вторичные ТЭР. ВИЭ. Лекция 2 «Энергия. Топливно-энергетические ресурсы (ТЭР). Топливо. Вторичные ТЭР. ВИЭ». Практическое занятие 2 «Топливно-энергетические ресурсы (ТЭР). Возобновляемые источники энергии». Контрольная работа №1 «Топливно-энергетические ресурсы» 3 Тема 3. Энергосбережение. Характеристика энергосбережения как вида деятельности. Нормативно-правовая база. Методы и формы энергосбережения. Нормирование энергопотребления. Энергобалансы. Оценка эффективности энергоиспользования. Энергосберегающие мероприятия. Лекция 3 «Энергосбережение. Характеристика энергосбережения как вида деятельности. Нормативно-правовая база. Методы и формы энергосбережения» Лекция 4 «Нормирование энергопотребления. Энергобалансы. Оценка эффективности энергоиспользования. Энергосберегающие мероприятия». Практическое занятие 3 «Нормирование энергопотребления». Практическое занятие 4 «Энергобалансы потребителей ТЭР». Практическое занятие 5 «Оценка эффективности использования ТЭР». Практическое занятие 6 «Оценка эффективности энергосберегающих мероприятий». Тест №2 «Основы энергосбережения». Контрольная работа №2 «Нормирование энергопотребления. Энергобалансы. Оценка эффективности энергоиспользования». Контрольная работа №3 «Оценка эффективности энергосберегающего мероприятия». 4 Промежуточная аттестация - - Экзамен 1.2. Основные понятия, термины и определения курса Далее приведены основные понятия, термины и определения, которые используются при изучении курса в соответствии с ГОСТ 31607-2012 «Энергосбережение. Нормативно-методическое обеспечение. Основные положения»: Общие понятия Энергоноситель: Вещество в различных агрегатных состояниях (твердое, жидкое, газообразное) либо иные формы материи (плазма, поле, излучение и т.д.), запасенная энергия которых может быть использована для целей энергоснабжения. Природный энергоноситель: энергоноситель, образовавшийся в результате природных процессов. К природным энергоносителям относят, например, воду гидросферы (при использовании энергии рек, морей, океанов); горячую воду и пар геотермальных источников; воздух атмосферы (при использовании энергии ветра); биомассу; органическое топливо (нефть, газ, уголь и т.д.). Произведенный энергоноситель: Энергоноситель, полученный как продукт производственного технологического процесса. К произведенным энергоносителям относятся, например, сжатый воздух, водяной пар различных параметров котельных установок и других парогенераторов; горячую воду; ацетилен; продукты переработки органического топлива и биомассы и т.п. Топливо: Вещества, которые могут быть использованы в хозяйственной деятельности для получения тепловой энергии, выделяющейся при его сгорании. Топливно-энергетические ресурсы (ТЭР): Совокупность природных и производственных энергоносителей, запасенная энергия которых при существующем уровне развития техники и технологии доступна для использования в хозяйственной деятельности. Вторичные топливно-энергетические ресурсы (ВЭР): Топливно-энергетические ресурсы, полученные как отходы или побочные продукты (сбросы и выбросы) производственного технологического процесса. Наиболее часто встречаются вторичные ТЭР в виде тепла различных параметров и топлива. Например, к ВЭР в виде тепла относят нагретые отходящие газы технологических агрегатов; газы и жидкости систем охлаждения; отработанный водяной пар; сбросные воды; вентиляционные выбросы, тепло которых может быть полезно использовано. К ВЭР в виде топлива относят, например, твердые отходы, жидкие сбросы и газообразные выбросы нефтеперерабатывающей, нефтедобывающей, химической, целлюлозно-бумажной, деревообрабатывающей и других отраслей промышленности, в частности, доменный газ, древесную пыль, биошламы, городской мусор и т.п. Первичная энергия: Энергия, заключенная в ТЭР. Полезная энергия*: Энергия, теоретически необходимая (в идеализированных условиях) для осуществления заданных операций, технологических процессов или выполнении работы и оказания услуг. Примеры определения термина: а) в освещении – по световому потоку ламп; б) в силовых процессах: для двигательных процессов – по рабочему моменту на валу двигателя; для процессов прямого воздействия – по расходу энергии, необходимому в соответствии с теоретическим расчетом для заданных условий; в) в электрохимических и электрофизических процессах - по расходу энергии, необходимому в соответствии с теоретическим расчетом - для заданных условий; г) в термических процессах - по теоретическому расходу энергии на нагрев, плавку, испарение материала и проведение эндотермических реакций; д) в отоплении, вентиляции, кондиционировании, горячем водоснабжении, холодоснабжении - по количеству тепла, полученному пользователями; е) в системах преобразования, хранения, транспортирования топливно-энергетических ресурсов - по количеству ресурсов, получаемых из этих систем. Возобновляемые топливно-энергетические ресурсы*: Природные энергоносители, постоянно пополняемые в результате естественных (природных) процессов. Возобновляемые ТЭР основаны на использовании возобновляемых источников энергии: солнечного излучения, энергии ветра, рек, морей и океанов, внутреннего тепла Земли, воды, воздуха; энергии естественного движения водных потоков и существующих в природе градиентов температур; энергии от использования всех видов биомассы, получаемой в качестве отходов растениеводства и животноводства, искусственных лесонасаждений и водорослей; энергию от утилизации отходов промышленного производства, твердых бытовых отходов и осадков сточных вод; энергию от прямого сжигания растительной биомассы, термической переработки отходов лесной и деревообрабатывающей промышленности. Энергоустановка: Комплекс взаимосвязанного оборудования и сооружений, предназначенных для производства или преобразования, передачи, накопления, распределения или потребления энергии (ГОСТ 19431). Использование топливно-энергетических ресурсов и энергосбережение Рациональное использование ТЭР: Использование топливно-энергетических ресурсов, обеспечивающее достижение максимальной при существующем уровне развития техники и технологии эффективности, с учетом ограниченности их запасов и соблюдения требований снижения техногенного воздействия на окружающую среду и других требований общества. Понятие «Рациональное использование ТЭР» является более общим по сравнению с понятием «Экономное расходование ТЭР» и включает: • выбор оптимальной структуры энергоносителей, т.е. оптимального количественного соотношения различных используемых видов энергоносителей в установке, на участке, в цехе на предприятии, в регионе, отрасли, хозяйстве - в зависимости от рассматриваемого уровня энергобаланса; • комплексное использование топлива, в т.ч. отходов топлива в качестве сырья для промышленности (например, использование золы и шлаков в строительстве); • комплексное использование гидроресурсов рек и водоемов; • учет возможности использования органического топлива (например нефти) в качестве ценного сырья для промышленности; • комплексное исследование экспортно-импортных возможностей и других структурных оптимизаций. Экономия ТЭР: Сравнительное в сопоставлении с базовым, эталонным значением сокращение потребления ТЭР на производство продукции, выполнение работ и оказание услуг установленного качества без нарушения экологических и других ограничений в соответствии с требованиями общества. Величину экономии определяют через сравнительное сокращение расхода, а не потребления ТЭР. Понятие «потребление» при переходе от отдельного элемента к установке, техпроцессу, цеху, предприятию теряет определенность и физический смысл, поэтому в принятой терминологической системе использовано слово «расход» (латинский аналог "gasto"), корреспондирующееся с расходной частью топливно-энергетического баланса конкретными энергопотребляющими объектами (изделиями, процессами, работами и услугами). Эталонные значения расхода ТЭР устанавливаются в нормативных, технических, технологических, методических документах и утверждаются уполномоченным органом применительно к проверяемым условиям и результатам деятельности. Непроизводительный расход ТЭР: Потребление ТЭР, обусловленное несоблюдением или нарушением требований, установленных государственными стандартами, иными нормативными актами, нормативными и методическими документами. Энергосбережение: Реализация правовых, организационных, научных, производственных, технических и экономических мер, направленных на эффективное (рациональное) использование (и экономное расходование) ТЭР и на вовлечение в хозяйственный оборот возобновляемых источников энергии. Интересы реализации законодательства в области энергетической эффективности и энергосбережения требуют раскрытия его правовых норм специалистам технического профиля с учетом вхождения в международное понятийное «техническое поле» в области энергетики и энергосбережения. Энергосберегающая политика: Комплексное системное проведение на государственном уровне программы мер, направленных на создание необходимых условий организационного, материального, финансового и другого характера для рационального использования и экономного расходования ТЭР. Энергетическое обследование: Обследование потребителей ТЭР с целью установления показателей эффективности их использования и выработки экономически обоснованных мер по их повышению. Топливно-энергетический баланс*: Система показателей, отражающая полное количественное соответствие между приходом и расходом (включая потери и остаток) ТЭР в хозяйстве в целом или на отдельных его участках (отрасль, регион, предприятие, цех, процесс, установка) за выбранный интервал времени. Термин выражает полное количественное соответствие (равенство) за определенный интервал времени между расходом и приходом энергии и топлива всех видов в энергетическом хозяйстве, включая (где это необходимо) изменение запасов ТЭР. Топливно-энергетический баланс является статической характеристикой динамической системы энергетического хозяйства за определенный интервал времени. Оптимальная структура топливно-энергетического баланса является результатом оптимизационного развития энергетического хозяйства. Топливно-энергетический баланс может составляться: а) по видам ТЭР (ресурсные балансы); б) по стадиям энергетического потока (добыча, переработка, преобразование, транспортирование, хранение, использование) ТЭР; в) как единый (сводный) топливно-энергетический баланс с учетом перетоков всех видов энергии и ТЭР между стадиями и в целом по народному хозяйству; г) по энергетическим объектам (электростанции, котельные), отдельным предприятиям, цехам, участкам, энергоустановкам, агрегатам и т.д.; д) по назначению (силовые процессы, тепловые, электрохимические, освещение, кондиционирование, средства связи и управления и т.д.); е) по уровню использования (с выделением полезной энергии и потерь); ж) в территориальном разрезе и по отраслям народного хозяйства. При составлении топливно-энергетического баланса различные виды ТЭР приводят к одному количественному измерению. Процедура приведения к единообразию может производиться: • по физическому эквиваленту энергии, заключенной в ТЭР, т.е. в соответствии с первым законом термодинамики; • по относительной работоспособности (эксергии), т.е. в соответствии со вторым законом термодинамики; • по количеству полезной энергии, которая может быть получена из указанных ТЭР в теоретическом плане для заданных условий. Энергетический паспорт промышленного потребителя ТЭР: Нормативный документ, отражающий баланс потребления и показатели эффективности использования ТЭР в процессе хозяйственной деятельности объектом производственного назначения и могущей содержать энергосберегающие мероприятия. Энергетический паспорт гражданского здания: Документ, содержащий геометрические, энергетические и теплотехнические характеристики зданий и проектов зданий, ограждающих конструкций и устанавливающий соответствие их требованиям нормативных документов. Энергосберегающая технология: Новый или усовершенствованный технологический процесс, характеризующийся более высоким коэффициентом полезного использования ТЭР. Сертификация энергопотребляющей продукции: Подтверждение соответствия продукции нормативным, техническим, технологическим, методическим и иным документам в части потребления энергоресурсов топливо- и энергопотребляющим оборудованием. Показатели эффективности использования ТЭР Показатель энергетической эффективности: Абсолютная, удельная или относительная величина потребления или потерь энергетических ресурсов для продукции любого назначения или технологического процесса. Коэффициент полезного использования энергии: Отношение всей полезно используемой в хозяйстве (на установленном участке, энергоустановке и т.п.) энергии к суммарному количеству израсходованной энергии в пересчете ее на первичную. Коэффициент полезного действия: Величина, характеризующая совершенство процессов превращения, преобразования или передачи энергии, являющаяся отношением полезной энергии к подведенной. Потеря энергии*: Разность между количеством подведенной (первичной) и потребляемой (полезной) энергии. Потери энергии можно классифицировать следующим образом: а) по области возникновения: • при добыче, • при хранении, • при транспортировании, • при переработке, • при преобразовании, • при использовании, • при утилизации; б) по физическому признаку и характеру: • потери тепла в окружающую среду с уходящими газами, технологической продукцией, технологическими отходами, уносами материалов, химическим и физическим недожогом, охлаждающей водой и т.п., потери электроэнергии в трансформаторах, дросселях, токопроводах, электродах, линиях электропередач, энергоустановках и т.п.; • потери с утечками через неплотности; • гидравлические – потери напора при дросселировании, потери на трение при движении жидкости (пара, газа) по трубопроводам с учетом местных сопротивлений последних; • механические – потери на трение подвижных частей машин и механизмов; в) по причинам возникновения: • вследствие конструктивных недостатков; • в результате не оптимально выбранного технологического режима работы; • в результате неправильной эксплуатации агрегатов; • в результате брака продукции и т.п.; • по другим причинам. Полная энергоемкость продукции: Величина расхода энергии и (или) топлива на изготовление продукции, включая расход на добычу, транспортирование, переработку полезных ископаемых и производство сырья, материалов, деталей с учетом коэффициента использования сырья и материалов. Энергоемкость производства продукции*: Величина потребления энергии и (или) топлива на основные и вспомогательные технологические процессы изготовления продукции, выполнение работ, оказание услуг на базе заданной технологической системы. Практически при производстве любого вида продукции расходуются ТЭР, и для каждого из видов продукции существует соответствующая энергоемкость технологических процессов их производства. При этом энергоемкость технологических процессов производства одних и тех же видов изделий, выпускаемых различными предприятиями, может быть различна. Показатель экономичности энергопотребления изделия*: Количественная характеристика эксплуатационных свойств изделия, отражающих его техническое совершенство, определяемое совершенством конструкции и качеством изготовления, уровнем или степенью потребления им энергии и (или) топлива при использовании этого изделия по прямому функциональному назначению. Показатели экономичности энергопотребления индивидуальны для различных видов изделий. Они характеризуют совершенство конструкции данного вида изделия и качество его изготовления. В качестве показателей экономичности энергопотребления, как правило, следует выбирать удельные показатели. 1.3. Историческая эволюция энергетики Различные этапы в развитии энергетики определяются господствующими источниками энергии и зависящей от них энерготехникой. Эпоха мускульной энергетики. Источником энергии служила химическая энергия пищи, превращающаяся в мускульную силу человека, а позже и прирученных животных. Тепло солнца, а затем и огня использовалось для обогрева и бытовых нужд – приготовления пищи, выплавки металлов и т.п. В этой эпохе следует выделить период, когда мускульная сила приумножалась с помощью простых механизмов – рычага, ворота и т.п., а также период, когда огонь стали получать искусственно – трением. Последние достижение следует считать принципиально важным в истории развития человечества. Кроме того, в течение этой эпохи невозобновляемые энергоресурсы накапливались. Так продолжалось примерно до VIII-Х вв. н.э. Эпоха механоэнергетики. Длилась она до XVIII в. В этот период человек стал дополнительно использовать механическую энергию возобновляющих энергоресурсов – энергию речной воды и ветра с помощью водяных колес и ветряных крыльев. Человек получил в свое распоряжение силы, во много раз превосходящие его собственные и силы домашних животных. Развитие техники получения огня, использование печного отопления позволили человеку заселять холодные климатические районы Земли. Энергетические ресурсы в эту эпоху полностью восстанавливались, а окружающая среда оставалась практически в первозданном виде. Эпоха химической теплоэнергетики. Она еще не закончилась. Главный источник энергии во многих странах – это химическая энергия, выделяющаяся при сгорании органических ископаемых: каменного угля, нефти и т.д. А основная движущая сила – энергия пара или газов, возникающая в тепловых двигателях. Принципиальное отличие этой эпохи состоит в том, что человечество уничтожает ресурсы, доставшиеся ему как результат процессов, протекавших на Земле миллионы лет и имевших своим первоисточником энергию Солнца. Все это сопровождается загрязнением окружающей среды продуктами сгорания и отходами производства. Возникает проблема создания экологически чистых производств. Появляется ядерная энергетика, опять же на невозобновляемых энергоресурсах, но Чернобыльская авария (26 апреля 1986 г.), резко замедлила темпы развития этого вида энергетики. Загрязнение, в том числе и радиационное, окружающей среды начинает тормозить развитие традиционных энергетических технологий. Остро встает вопрос создания альтернативной энергетики на возобновляемых энергоресурсах и одновременном переходе к эпохе сбалансированной энергетики на возобновляемых энергоресурсах. Если такое состоится, человечество сумеет жить в состоянии динамического равновесия, потребляя столько энергии, сколько можно получить при использовании возобновляемых энергоресурсов (солнечного излучения, движения воды, ветра и т.п.), возможно, и энергии термоядерных топлив. В соответствии с вырабатываемой энергией и производимым с ее помощью продовольствием население Земли будет обеспечиваться бытовой, производственной, культурной и другой техникой. Окружающая среда также должна быть приведена в состояние динамического равновесия, т.е. должна полностью восстанавливаться, это и есть эпоха сбалансированной энергетики. Но пока это в значительной мере фантастика, чем объективная реальность, о чем свидетельствуют мнения экономистов и энергетиков. Органические топлива останутся основой энергообеспечения; их абсолютное потребление возрастет при любых реалистичных сценариях. Не просматривается ни одного нового источника энергии, по крайней мере, на ближайшие 30 лет, который смог бы «сместить» органические топлива в структуре мирового энергопотребления. В этих условиях первоочередной задачей мирового сообщества является повышение эффективности использования природных энергетических ресурсов, без чего невозможно будет в перспективе решать глобальные проблемы обеспечения устойчивого энергоснабжения и охраны окружающей среды. Иными словами, в обозримом будущем на состояние динамического равновесия между промышленным производством и окружающей средой можно надеяться только через энергосбережение и рациональное ресурсопользование. К настоящему времени сложилась определенная теория технологических укладов (ТУ) в мировой экономике. Смена доминирующих в экономике технологических укладов предопределяет неравномерный ход научно-технического прогресса. Ведущими исследователями данной темы являются Сергей Юрьевич Глазьев и Карлота Перес. Термин «технологический уклад» относят к теории научно-технического прогресса. Технологический уклад – это соответствующая экономическая эпоха, обусловленная уровнем развития энергетики, который позволяет реализовать возможности сформированных на этот период ресурсных, технико-технологических, информационных, транспортных и организационно-финансовых систем. В соответствии с наиболее распространенной концепцией отсчет времени при анализе процессов технологической динамики принято начинать с периодов первой промышленной революции в Англии, когда устанавливается современный темп технико-технологического развития. Краткая характеристика ТУ приведена на рис. 1.1 и далее по тексту. Рисунок 1.1 – Характеристика технологических укладов Первый ТУ (1770-1850 гг.) сформировался на новых технологиях в текстильной промышленности, использовании энергии воды и ветра. Второй ТУ (1830-1900 гг.) характеризовался ускоренным развитием черной металлургии, транспорта (строительство железных дорог, паровое судоходство), возникновением механического производства во всех отраслях на основе энергии пара (парового двигателя). Третий ТУ (1880-1950 гг.) базировался на использовании в промышленном производстве электрической энергии, развитии тяжелого машиностроения и электротехнической промышленности на основе использования стального проката, новых открытий в области химии. Были внедрены радиосвязь, телеграф, автомобили. Появились крупные фирмы, картели, синдикаты, тресты. На рынке господствовали монополии. Началась концентрация банковского и финансового капитала. Четвертый ТУ (1930-1990 гг.) сформировался на дальнейшем развитии энергетики с использованием химической энергии органического топлива, средств связи, новых синтетических материалов. Это эра массового производства автомобилей, тракторов, самолетов, различных видов вооружения, товаров народного потребления. Появились и широко распространились компьютеры и программные продукты для них, радары. Организовано массовое производство на основе конвейерной технологии. На рынке господствует олигопольная конкуренция. Появились транснациональные и межнациональные компании, которые осуществляли прямые инвестиции в рынки различных стран. Пятый ТУ (1970-2030 гг.) опирается на достижения в области атомной энергетики, микроэлектроники, информатики, биотехнологии, генной инженерии, новых видов энергии, материалов, освоения космического пространства, спутниковой связи и т. п. Происходит переход от разрозненных фирм к единой сети крупных и мелких компаний, соединенных электронной сетью на основе Интернета, осуществляющих тесное взаимодействие в области технологий, контроля качества продукции, планирования инноваций. Шестой ТУ (2010-2060 гг.) формируется на основе развития возобновляемых и альтернативных источников энергии; биотехнологии; нанотехнологии; проектирования живого; вложения в человека; нового природопользования; новой медицины; робототехники; высоких гуманитарных технологий; проектирования будущего и управления им; технологии сборки и разрушения социальных субъектов. Шестой ТУ будет характеризоваться развитием систем искусственного интеллекта; глобальных информационных сетей; интегрированных высокоскоростных транспортных систем; космических технологий; производства конструкционных материалов с заранее заданными свойствами. Если исходить из ранее приведенного определения технологического уклада, то независимо от того, какой он в настоящее время по счету, пятый или восьмой (есть и такие раскладки), развитие его и тем более смена вряд ли возможны в целом в масштабах мировой экономики ввиду возникновения явных энергетических ограничений. Создается ситуация, когда авторам экономических теорий удается сохранить их стройность, если системообразующие факторы сместить в пользу информационных и организационно-финансовых систем. Такое возможно только при осознанном разделении мирового сообщества по степени доступности к благам цивилизации. Доказательством возможности именно такой схемы развития при игнорировании сложившихся проблем в энергетической обеспеченности современного технологического уклада является наличие тесной связи между валовым внутренним продуктом (ВВП) и расходом энергии на его производство. А именно ВВП является основой для роста благосостояния любого сообщества, т.е. надежные источники энергии, доступность к ним всех слоев населения являются «головной болью» любого государства и сообщества. И обратной связью в этом системном процессе может быть только рациональное использование энергии на основе энергоэффективных технологий. 1.4. Основы функционирования энергетики и электроэнергетики Энергетика – область хозяйственно-экономической деятельности человека, включающая совокупность больших естественных и искусственных подсистем, служащих для добычи, преобразования, распределения и использования энергетических ресурсов всех видов. Цель энергетики – обеспечение производства энергии путём преобразования первичной энергии в конечную энергию. Основные стадии процесса энергоиспользования: • добыча и концентрация первичных энергетических ресурсов (например, добыча, переработка и обогащение ядерного топлива) и их передача к энергетическим установкам (например, доставка природного газа на тепловую электростанцию); • получение произведенных энергоносителей с помощью энергоустановок из первичных и вторичных энергоресурсов (например, преобразование химической энергии угля в электрическую и тепловую энергию); • передача и распределение произведенных энергоносителей потребителям (например, по линиям электропередачи и тепловым сетям); • потребление конечной энергии. На рис. 1.2 приведены виды энергии/энергоресурсов и соответствующих им видов технологий, используемых на каждой из стадий процесса энергоиспользования. На рис. 1.3 и 1.4 представлены принципиальные схемы, иллюстрирующие модели функционирования энергетики и электроэнергетики. Рисунок 1.2 – Продукты и технологии в энергетике Рисунок 1.3 – Принципиальная схема функционирования энергетики ЭС – Электростанция; ЭЭС – электроэнергетическая система; ПВ – Повышающая подстанция; ПН – Понижающая подстанция; РУ – распределительное устрйоство; РП – Распредилительный пункт; ВЛ – воздушная линия электропередачи; КЛ – кабельная линия электропередачи; ПП, ТП – трансформаторные подстанции предприятий и других потребителей. Рисунок 1.4 – Принципиальная схема функционирования электроэнергетики Далее рассмотрим основные способы добычи, преобразования (производства), передачи, распределения и конечного потребления энергетических ресурсов и энергии. 1.5. Добыча топливно-энергетических ресурсов Добыча угля Угольная промышленность занимает важное место в структуре народного хозяйства, поскольку уголь используют как один из основных видов топлива. В угленосных отложениях наряду с углём содержатся многие виды георесурсов, обладающих потребительской значимостью. К ним относятся вмещающие породы как сырьё для стройиндустрии, подземные воды, метан угольных пластов, редкие и рассеянные элементы, в том числе редкие металлы и их соединения. Например, некоторые угли обогащены германием. Зависимо от того, насколько глубоко находятся залежи полезного ископаемого, существуют разные способы добычи угля. А именно, в случае, если глубина залежей составляет меньше 100 метров, используют открытый способ добычи. Технология добычи угля с помощью шахт применяется в случае, если залежи расположены на глубине, превышающей 100 метров. Открытый способ сравнительно дешевле подземного. К тому же, он гораздо безопаснее добычи в шахтах, которые нередко обваливаются. Открытая, или карьерная разработка подразделяется на несколько видов: нагорная, глубинная, нагорно-глубинная и поверхностная. Выбор определенного вида осуществляют в зависимости от особенностей рельефа и положения залежей полезного ископаемого. Для добычи в карьере используют зачастую такую технику, как скреперы, бульдозеры, роторные экскаваторы и другие виды. Ковши больших экскаваторов имеют объем около 100 кубических метров. Они способны в короткие сроки качественно удалить слой горной породы, под которым расположены залежи ископаемого топлива. После того, как был снят слой горной породы, за работу берутся роторные экскаваторы, высота которых достигает высоты 13-этажного дома. При этом производительность таких экскаваторов составляет больше 5 тысяч кубических метров породы за час. Закрытый (подземный) способ. Наиболее ценные виды топлива находятся глубоко под землею, поэтому для их добычи используют другой способ. Технология добычи угля в шахте довольно трудоемкая, дорогостоящая и, конечно же, опасная. Она заключается в создании нескольких вертикальных и наклонных шахт. Диаметр таких шахт зачастую колеблется в рамках нескольких метров, а глубина начинается от нескольких сот метров до одного километра вглубь и более. При этом нужно учитывать, что от глубины шахты может зависеть качество добываемого топлива. Например, самый твердый вид полезного ископаемого антрацит добывают на глубине больше 3 километров. Следующий этап в добывании топлива заключается в горизонтальных выработках, которые идут от шахт к пластам угля. Затем происходит устройство наклонных и горизонтальных выработок для подъема ископаемого. Таким образом, способы добычи угля под землей подразумевают продвижение в глубь земли, при котором происходит рассекание угольных пластов вдоль и поперек. Шахты классифицируют в зависимости от объема добываемого ископаемого. А именно, самые мелкие шахты добывают 300-600 тысяч тонн за год, средние – от 900 тысяч до 1, 5 миллионов тонн, крупные – от 2 миллион тонн за год. Кроме того, существуют шахты-гиганты, которые за год могут выработать больше 10 миллионов тонн угля. Если раньше способы добычи угля предполагали использование подручных инструментов вроде кирки и лопаты, то сегодня в шахтах используют различные виды комбайнов и отбойных молотков. Для выработки угольных пластов небольшой толщины используют шнек, который с помощью своих наконечников разрезает пласты и тем самым дробит уголь. При этом технология добычи угля не стоит на месте и постоянно усовершенствуется. Одним из наиболее перспективных способов добычи считается гидравлический. Используя этот способ, можно такие трудоемкие процессы добычи угля, как выемка, погрузка и транспортирование, объединить в один – гидроотбойку. Суть процесса заключается в том, что энергия струи воды под давлением дробит уголь, смывает его с забоя и доставляет по выработкам в специальную камеру для подъема. Таким образом, происходит дробление залежей полезного ископаемого с помощью мощной струи воды, после чего уголь поступает на фабрику, где занимаются его обогащением. Добыча нефти Нефтеносные слои находятся, как правило, глубоко в недрах земли. Скопление нефтяных масс в месторождениях происходит в горных породах пористой структуры, находящихся в окружении более плотных слоёв. Образцом природного резервуара служит пласт песчаника куполообразной формы, со всех сторон заблокированного слоями плотной глины. Далеко не каждое разведанное месторождение становится объектом промышленной разработки и добычи. Решения по каждому принимаются только по итогам тщательного экономического обоснования. Главный показатель месторождения – коэффициент нефтеотдачи, отношение объёма нефти под землей, к объёму, который можно получить для переработки. Пригодным для разработки является месторождение с прогнозируемым коэффициент нефтеотдачи от 30% и выше. По мере совершенствования технологий добычи в месторождении данный показатель доводится до 45% и выше. В подземном хранилище всегда одновременно присутствуют сырая нефть, природный газ и вода под огромным давлением пластов земной коры. Параметр давления оказывает решающее влияние на выбор способа и технологии добычи. Можно выделить три метода добычи нефти в зависимости от величины давления в пласте и способа его поддержания: • Первичный – нефть фонтанирует из скважины за счет высокого давления в нефтеносном пласте и не требует создания дополнительного искусственного нагнетания давления, коэффициент извлечение нефти 5-15%; • Вторичный – когда естественное давление в скважине падает и подъем нефти не возможен без дополнительного нагнетания давления за счет ввода в пласт воды или природного/попутного газа, коэффициент извлечение нефти 35-45%; • Третичный – увеличение извлечения нефти из пласта после снижения ее добычи вторичными методами, коэффициент извлечение нефти 40-60%. Существует только два основных способа добычи по принципу физического воздействия на жидкое нефтяное тело: • фонтанный; • механизированный (включает газлифтный и насосный методы). Если нефть из недр выдавливается на землю только под воздействием природной энергии нефтеносного пласта, то способ добычи называют фонтанным. Но всегда наступает момент, когда запасы энергии пласта истощаются, а скважина перестаёт фонтанировать. Тогда подъем осуществляют с применением дополнительного энергетического оборудования. Такой способ добычи и является механизированным. Механизированный способ бывает газлифтным и насосным. В свою очередь газлифт можно осуществлять компрессорным и бескомпрессорным методом. Насосный способ реализуется посредством использования мощных глубинных насосов: штанговых, электроцентробежных погружных. Рассмотрим более подробно каждый способ в отдельности. Для транспортировки нефти применяют нефтепроводы и танкеры. Нефтепроводы – это инженерно-технические сооружения трубопроводного транспорта, предназначенное для транспорта нефти. Различают магистральные и промысловые нефтепроводы. Сооружение и обслуживание трубопровода весьма дорогостоящее, но тем не менее – это наиболее дешёвый способ транспортировки газа и нефти. Для транспортировки нефти по водным путям используются танкеры и супертанкеры (сверхкрупные океанские танкеры, водоизмещением от 320 000 метрических тонн, которые используются для перевозки сырой нефти из порта загрузки в место перегрузки или непосредственно на нефтеперерабатывающий завод). Цель переработки нефти (нефтепереработки) – это производство нефтепродуктов, прежде всего, различных топлив (автомобильных, авиационных, котельных и т.д.) и сырья для последующей химической переработки. Бензин, керосин, дизельное топливо и технические масла подразделяются на различные марки в зависимости от химического состава. Завершающей стадией производства нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ) является смешение полученных компонентов для получения готовой продукции требуемого состава. Добыча природного газа На сегодняшний день существует один способ добычи газа – бурение скважин. Вначале проводится геологическая разведка местности для определения наличия полезного ископаемого в недрах. Она осуществляется при помощи высокоточного оборудования, которое позволяет не только найти месторождение, но и оценить его примерные запасы. Если они будут мизерными, то нет смысла начинать разработку, так как затраты на бурение, установку оборудования и откачку ресурса во много раз превысят его стоимость. Так что нужно не просто отыскать газ, но и попасть на крупные залежи, добыча которых будет экономически целесообразной. Для желающих заняться таким бизнесом стоит сразу отметить, что в большинстве стран государство обладает полной монополией на все находящиеся в недрах ресурсы, поэтому нельзя просто разведать залежи и начать их добывать. Придется получить огромное количество разрешающих документов. Но и тогда не стоит рассчитывать на полную самостоятельность, потому что государственный представитель будет регулярно следить за соблюдением технологических и экологических норм. Также бизнесмену придется платить определенный налог на использование недр. Итак, если было найдено интересное с экономической точки зрения месторождение, начинается его разработка. Газ залегает на достаточно больших глубинах, не менее 1000 метров, так что для его добычи требуется специальное оборудование. Буры изготавливаются из самых прочных марок стали, чтобы они могли справляться с работой на любых типах грунта. Их длина соответствует глубине залежей. Самая глубокая скважина находится в России и составляет более 6 километров. Газ хранится в земной коре в микроскопических трещинах и целых подземных пещерах. После того, как бур открывает ему доступ наружу, он поднимает на поверхность за счет огромной разницы давлений. Это позволяет не использовать дополнительное оборудование для откачки. В одном месторождении бурится несколько скважин, чтобы довести объемы добычи до нужных показателей. Важно также знать, что добыча природного газа связана с множеством опасностей. Неправильное проведение буровых работ приведет к тому, что земная кора может треснуть не в тех местах, и газ будет просачиваться на поверхность в произвольных местах. Когда его концентрация достигнет соответствующих масштабов, достаточно будет одной искры, чтобы произошел взрыв колоссальной разрушительной мощности. Именно поэтому геологи проводят тщательные расчеты и выясняют, где можно бурить, а где лучше этого не делать. 1.6. Производство электрической и тепловой энергий Одним из наиболее совершенных видов энергии является электрическая энергия. Ее широкое использование обусловлено следующими факторами: • возможностью выработки электроэнергии в больших количествах вблизи месторождений и источников энергии; • возможностью транспортировки на дальние расстояния с относительно небольшими потерями; • возможностью трансформации электроэнергии в другие виды энергии: механическую, химическую, тепловую, световую и т.д.; • относительно слабым загрязнением окружающей среды; • возможностью применения на основе электроэнергии новых прогрессивных технологических процессов. Тепловая энергия широко используется на современных производствах и в быту в виде пара, горячей воды и продуктов сгорания. Электрическая энергия производится на: 1) тепловых электрических станциях на органическом топливе (ТЭС) с использованием водяного пара (паротурбинные установки – ПТУ), продуктов сгорания (газотурбинные установки – ГТУ), их комбинаций (парогазовые установки – ПГУ), а также на основе применения двигателя внутреннего сгорания (газопоршневые установки и дизель-генераторные установки – ГПУ и ДГУ); 2) гидравлических электрических станциях (ГЭС), использующих энергию падающего потока воды, течения, прилива; 3) атомных электрических станциях (АЭС), использующих энергию ядерного распада; 4) энергоустановках, использующих возобновляемые источники энергии (ВИЭ): ветровые электростанции (ВЭС), солнечные электростанции (СЭС) и др. ТЭС можно разделить на конденсационные электрические станции (КЭС), производящие только электроэнергию (они также называются ГРЭС – государственные районные электростанции), и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) – электрические станции с комбинированной выработкой электрической и тепловой энергии. Тепловая энергия также производится в котельных установках в результате сжигания органических видов топлива и нагрева холодной воды до состояния пара или горячей воды. 1.7. Транспортировка, распределение и потребление тепловой энергии Системы теплоснабжения Системой теплоснабжения называется комплекс устройств по выработке, транспорту и использованию тепла. Снабжение теплом потребителей (систем отопления, вентиляции, горячего водоснабжения и технологических процессов) состоит из трех взаимосвязанных процессов: сообщения теплоты теплоносителю, транспорта теплоносителя и использования теплового потенциала теплоносителя. Системы теплоснабжения классифицируются по следующим основным признакам: мощности, виду источника теплоты и виду теплоносителя. По мощности системы теплоснабжения характеризуются дальностью передачи теплоты и числом потребителей. Они могут быть местными и централизованными. Местные системы теплоснабжения – это системы, в которых три основных звена объединены и находятся в одном или смежных помещениях. Централизованные системы теплоснабжения – системы, в которых от одного источника теплоты подается теплота для многих помещений. По виду источника теплоты системы централизованного теплоснабжения разделяют на районное теплоснабжение и теплофикацию. При системе районного теплоснабжения источником теплоты служит районная котельная, теплофикации – ТЭЦ. Теплоноситель получает теплоту в районной котельной (или ТЭЦ) и по наружным трубопроводам, которые носят название тепловых сетей, поступает в системы отопления, вентиляции промышленных и жилых зданий. В нагревательных приборах, расположенных внутри зданий, теплоноситель отдает часть аккумулированной в нем теплоты и отводится по специальным трубопроводам обратно к источнику теплоты. Теплоноситель – среда, которая передает теплоту от источника теплоты к нагревательным приборам систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения. По виду теплоносителя системы теплоснабжения делятся на 2 группы – водяные и паровые. В водяных системах теплоснабжения теплоносителем служит вода, в паровых – пар. Системы водяных теплопроводов могут быть однотрубными и двухтрубными. Наиболее распространенной является двухтрубная система теплоснабжения (по одной трубе подается горячая вода потребителю, по другой, обратной, охлажденная вода возвращается на ТЭЦ или котельную). Тепловые сети и передача тепловой энергии Основными элементами тепловых сетей являются трубопровод, состоящий из стальных труб, соединенных между собой с помощью сварки, изоляционная конструкция, предназначенная для защиты трубопровода от наружной коррозии и тепловых потерь, и несущая конструкция, воспринимающая вес трубопровода и усилия, возникающие при его эксплуатации. Трубы должны быть прочными и герметичными при максимальных давлениях и температурах теплоносителя, обладать низким коэффициентом температурных деформаций, малой шероховатостью внутренней поверхности, антикоррозийной стойкостью. Для снижения потерь теплоты на трубопроводы накладывается тепловая изоляция. Тепловая изоляция должна обладать достаточной механической прочностью, долговечностью, стойкостью против увлажнения и не создавать условий для возникновения коррозии. Температура на поверхности изоляционной конструкции не должна быть выше 60 С. Толщина слоя изоляции определяется на основе расчетов. Прокладка трубопроводов производится над землей, на земле и под землей. При подземной прокладке трубопроводы размещаются либо непосредственно в грунте (бесканальная прокладка), либо в непроходных, полупроходных и проходных каналах. Потребители тепловой энергии Основными потребителями тепловой энергии являются промышленные предприятия и жилищно-коммунальной хозяйство (ЖКХ). Для большинства производственных потребителей требуется тепловая энергия в виде пара (насыщенного или перегретого) либо горячей воды. Например, для силовых агрегатов, которые имеют в качестве привода паровые машины или паровые прессы, ковочные машины и др., необходим пар давлением 0,8-3,5 Мпа и перегретый до 250-450С. Для технологических аппаратов и устройств (разного рода подогреватели, сушилки, химические реакторы) преимущественно требуется насыщенный или слабо перегретый пар давлением 0,3-0,8 МПа и вода с температурой 150С. В ЖКХ основными потребителями тепла являются системы отопления и вентиляции жилых и общественных зданий, системы горячего водоснабжения и кондиционирования воздуха. В жилых и общественных зданиях температура поверхности отопительных приборов в соответствии с требованиями санитарно-гигиенических норм не должна превышать 95С, а температура воды в кранах горячего водоснабжения должна быть не ниже 50-60С в соответствии с требованиями комфортности и не выше 70С по нормам техники безопасности. В связи с этим в системах отопления, вентиляции и горячего водоснабжения в качестве теплоносителя применяется горячая вода. 1.8. Транспортировка, распределение и потребление электроэнергии Электроэнергетические системы и электрические сети Электроэнергетическая система (ЭЭС) – это совокупность электрических частей электростанций, электрических сетей и потребителей электроэнергии, связанных общностью режима и непрерывностью процесса производства, распределения и потребления электроэнергии. ЭЭС – часть энергосистемы, за исключением тепловых сетей и тепловых потребителей. Электрическая сеть – совокупность электроустановок для распределения электрической энергии, состоящая из подстанций, распределительных устройств, воздушных и кабельных линий электропередачи. По электрической сети осуществляется распределение электроэнергии от электростанций к потребителям. Линия электропередачи (ЛЭП) – электроустановка, предназначенная для передачи электроэнергии. Электрическая подстанция – это электроустановка, предназначенная для преобразования и распределения электрической энергии. Подстанции состоят из трансформаторов, сборных шин и коммутационных аппаратов, а также вспомогательного оборудования: устройств релейной защиты и автоматики, измерительных приборов. Подстанции предназначены для связи генераторов и потребителей с линиями электропередачи. Все электроприемники, генераторы, трансформаторы и прочие элементы ЭЭС проектируются для работы в длительном нормальном режиме при определенном напряжении, при котором эти элементы обладают наиболее целесообразными технико-экономическими показателями. Эти напряжения называются номинальными, и их значения всегда устанавливаются ГОСТ. В настоящее время для электрических сетей стандартизованы 4 напряжения менее 1000 В (40, 220, 380 и 660 В) и 12 напряжений выше 1000 В (3, 6, 10, 20, 35, 110, 150, 220, 330, 500, 750, 1150 кВ). Все перечисленные значения соответствуют линейным (междуфазным) напряжениям трехфазной системы переменного тока. Таким образом, в России применяются стандартные номинальные напряжения трехфазного тока частотой 50 Гц в диапазоне 0,4–1150 кВ. Для генераторов применяют номинальные напряжения 6–20 кВ. Как уже упоминалось, сети современных энергосистем характеризуются весьма сложной структурой и конфигурацией. В этих условиях невозможно классифицировать их по какому-либо одному признаку, который мог бы считаться определяющим. Однако ряд признаков в той или иной мере связан со значением номинального напряжения сети (Uном). К числу таких признаков можно условно отнести охват территории, назначение сети и частично характер ее потребителей. В табл. 1.2 приводятся элементы классификации по указанным выше признакам. Таблица 1.2 – Классификация электрических сетей по признакам, связанным с номинальным напряжением Признак Номинальное напряжение, кВ < 1 1 – 35 110 – 330 500 – 750 1150 Уровень номинального напряжения НН СН ВН СВН УВН Охват территории Местные Районные Региональные Назначение Распределительные Магистральные Характер потребителей Городские, промышленные, сельскохозяйственные Примечание. Сети напряжением до 1000 В называются сетями низкого напряжения (НН). Сети напряжением выше 1000 В, в свою очередь, делятся на сети среднего (СН), высокого (ВН), сверхвысокого (СВН) и ультравысокого (УВН) напряжения. По размерам территории, охватываемой сетью, могут быть выделены так называемые местные (Uном35 кВ), районные (110-220 кВ) и региональные сети (Uном330 кВ). Линии электропередачи СВН, являющиеся основой последней категории сетей, служат как для связи отдельных районов и относительно небольших энергосистем в региональные объединенные энергосистемы (ОЭС), так и для связи между собой крупных объединений. По назначению различают системообразующие (включая основные сети энергосистем), межсистемные и распределительные сети. Первые осуществляют функции формирования районных энергосистем путем объединения их электростанций на параллельную работу, вторые – объединение РЭС и ОЭС между собой. Кроме того, они осуществляют передачу электроэнергии к системным подстанциям, выполняющим роль источников питания распределительных сетей. «Распределительной» линией считается линия, питающая ряд трансформаторных подстанций или вводы к электроустановкам потребителей. Такие линии и являются основой распределительной сети. Распределительные линии в принципе могут быть выделены в сетях различных номинальных напряжений. В связи с этим не следует отождествлять понятия местных и распределительных сетей, как это делалось ранее. В настоящее время по мере развития сетей СВН верхняя граница этого диапазона в ряде ОЭС сдвинулась в сторону более высоких напряжений и современные сети 110—220 и даже 330 кВ постепенно приобретают характер распределительных. Так, по мере наложения вновь создаваемой сети 750 кВ на сеть 330 кВ в тех районах, где ранее последняя выполняла функции системообразующей, сети 330 кВ постепенно переходят в разряд распределительных. В будущем аналогичный процесс будет наблюдаться в тех частях ЕЭС России, где линии напряжением 1150 кВ возьмут на себя роль основных связей между ОЭС, в которых сейчас основными являются сети 500 кВ. Связи между ОЭС могут быть сильные и слабые. Наконец, местные и распределительные сети, согласно табл. 1.2, могут различаться по характеру подключаемых к ним потребителей. При этом определенную специфику имеют сети, осуществляющие электроснабжение промышленных предприятий, городов, сельскохозяйственных районов, железных дорог и магистральных нефте- и газопроводов и называемые соответственно промышленными, городскими, сельскими, железнодорожными и электросетями для электроснабжения магистральных нефте- и газопроводов. Так, сельские электрические сети характеризуются значительной протяженностью. Они охватывают территории со сравнительно невысокой плотностью нагрузки, годовое число часов использования максимума которой также относительно невелико. Напротив, чисто промышленные сети, будучи относительно короткими, снабжают территории с большой плотностью нагрузки, причем, как правило, графики нагрузки промышленных предприятий характеризуются высокой степенью заполненности. В какой-то степени промежуточное положение занимают в этом плане городские сети. Сочетание коммунально-бытовых и промышленных потребителей на городских территориях обусловливает значительную неравномерность графиков нагрузок узлов городской сети. Эта неравномерность в ряде случаев (когда основными источниками питания города являются ТЭЦ, работающие по тепловому графику) вызывает необходимость привлечения дополнительных маневренных мощностей, позволяющих системе своевременно и быстро реагировать на резкие спады и подъемы нагрузки. Помимо признаков, косвенно связанных со значением номинального напряжения сети, существуют и другие. Так, например, классифицируют сети по роду тока, по конфигурации, по отношению к помещению и по конструктивному выполнению. В соответствии с родом тока различают сети переменного и постоянного тока. О первой группе речь шла выше. В дополнение следует упомянуть, что в России сети трехфазного переменного тока напряжением 110 кВ и выше выполняются с глухим заземлением нейтрали, а сети более низких напряжений – с изолированной или заземленной через дугогасящий реактор нейтралью. Сети постоянного тока используются для обеспечения некоторых электротехнологических процессов в промышленности, например в электролизных цехах алюминиевых заводов. На постоянном токе осуществляется электропривод ряда механизмов и частично электрификация транспорта. Протяженные электропередачи постоянного тока используются чаще всего в качестве межсистемных связей. Плюсы: возможно осуществить соединение ЭЭС с разной частотой. Минусы: наличие 2 преобразовательных подстанций, дорогая и сложная эксплуатация. Применение сетей постоянного тока при передаче электроэнергии целесообразно при передаче электроэнергии на расстояния >1500 км при передаваемой мощности >2 ГВт. С точки зрения конфигурации различают разомкнутые, разомкнуто-резервированные и замкнутые сети. К разомкнутым относятся сети, образованные радиальными или радиально-магистральными линиями, осуществляющие электроснабжение потребителей от одного источника питания, причем каждый потребитель получает питание с одного направления. К числу замкнутых относятся сети, которые обеспечивают питание потребителей не менее чем с двух сторон. Наиболее простой формой замкнутой сети является одноконтурная (кольцевая) сеть. Питающие сети, как правило, являются сложнозамкнутыми, т.е. имеют большое число контуров. По отношению к помещению иногда различают внутренние и наружные сети. И, наконец, по конструктивному выполнению сети делятся на внутренние проводки (до 1000 В), кабельные (до 500 кВ) и воздушные (до 750-1150 кВ) сети. Сети внутри промышленных предприятий иногда частично выполняются закрытыми комплектными токопроводами, прокладываемыми вдоль колонн и стен цехов на высоте, допустимой по условиям производства. Кабельные сети 6-20 кВ в настоящее время являются основой городских и промышленных распределительных сетей. Воздушные сети характерны для электроснабжения сельских потребителей, а также для районных и системообразующих сетей. Конструктивные элементы воздушных и кабельных сетей рассматриваются в соответствующем курсе. Экономически целесообразные параметры ЛЭП представлены в табл. 1.3. Таблица 1.3 – Экономически целесообразные параметры ЛЭП U, кВ Pmax, МВт L, км 0,4 0,05-1,5 0,5-1 6(10) 2-3 10-15 35 5-10 30-50 110 25-50 50-150 150 40-70 100-200 220 100-200 150-250 330 200-300 300-400 500 700-900 800-1200 750 1800-2200 1000-1500 1150 4000-6000 2000-3000 Транспорт (передача) электроэнергии Потребление энергии растет с каждым годом. Вместе с тем места расположения электростанций не могут быть выбраны произвольно. Два обстоятельства – рост потребления и, следовательно, производства электроэнергии и отсутствие свободы в выборе места расположения электростанции – делают транспорт энергии одним из важнейших вопросов современного развития энергетики. Для ТЭС, вырабатывающих в настоящее время около 60-70% электрической энергии, речь может идти как о передаче электроэнергии, так и о транспорте топлива. При выборе места расположения ТЭС и ГЭС должны учитываться транспортные расходы. Для ТЭС могут рассматриваться и сопоставляться передача электроэнергии по проводам, железнодорожный и трубопроводный транспорт топлива. Для ГЭС возможна, конечно, только передача электроэнергии. Что касается АЭС, то они находятся в выгодном положении: близость источника водоснабжения и вопросы безопасности – единственное, что связывает выбор расположения АЭС. Универсальным средством транспорта энергии являются линии электропередачи (ЛЭП). Назначение ЛЭП – не только односторонняя передача энергии, но и осуществление связи между отдельными электростанциями и целыми энергетическими системами. Такая связь помогает повысить надежность работы энергосистемы, сократить необходимый резерв мощности, облегчить работу системы в периоды максимальной и минимальной потребности в электроэнергии. Основными конструктивными элементами воздушных линий электропередач (ВЛ) являются провода (служат для передачи электроэнергии), тросы (служат для защиты ВЛ от грозовых перенапряжений), опоры (поддерживают провода и тросы на определенной высоте), изоляторы (изолируют провода от опоры), линейная арматура (с ее помощью провода закрепляются на изоляторах, а изоляторы на опорах). Конструктивное исполнение различных ВЛ и основных компонентов приведены на рис. 1.5-1.6. 1 – стойка опоры; 2 – железобетонная приставка (пасынок); 3 – бандаж из стальной проволоки или стальной хомут; 4 – крючья для армировки изоляторов; 5 – раскосы для жесткости; 6 - траверсы; 7 - сцепная арматура для крепления гирлянды изоляторов; 8 – железобетонные фундамены. Рисунок 1.5 – Деревянные, железобетонная и стальная опоры ВЛ Рисунок 1.6 – Основные компоненты ВЛ Передача электроэнергии осуществляется не только о воздушным, но и кабельным ЛЭП. Под кабельной ЛЭП понимается такой способ передачи электрической энергии, при котором токопроводящие провода вместе с электрической изоляцией заключены в герметическую оболочку (рис. 1.7). Одной из перспектив развития кабельных ЛЭП является использование изоляции, представленной газом, находящимся под высоким давлением и обладающим низкой электропроводностью и высокой электрической прочностью. Таким газом, уже нашедшим применение в технике, является шестифтористая сера SF6, именуемая среди электротехников элегазом. Рисунок 1.7 – Участок КЛ Другое интересное направление развития ЛЭП заключается в создании так называемых криогенных и сверхпроводящих линий электропередачи. Идея криогенных ЛЭП основывается на известном факте, что электрическое сопротивление металлов (особенно чистых) падает со снижением их температуры. Сверхпроводимость – источник создания сверхпроводящих ЛЭП. Это явление, практическое использование которого связывают многие направления технического прогресса, состоит в том, что при достижении определенных низких температур некоторые чистые металлы и сплавы становятся сверхпроводящими, т.е. их электрическое сопротивление делается равным нулю. Температура, при которой это происходит, именуется критической. Преимущества сверхпроводящей ЛЭП очевидна: отсутствие потерь электроэнергии и большая экономия металла, из которого делаются провода. Но прежде чем сверхпроводящие ЛЭП войдут в нашу жизнь придется решить непростые задачи. Это стоимость сверхпроводящих материалов, значительные расходы энергии для поддержания необходимой низкой температуры сверхпроводника. Для этого необходимо иметь криогенное оборудование, стоимость которого тоже значительна. Потребители электрической энергии Электроснабжение – обеспечение потребителей электроэнергией. Приемник электроэнергии – устройство (аппарат, агрегат, установка, механизм), в котором происходит преобразование электрической энергии в другой вид энергии (или в электрическую, но с другими параметрами) для ее использования. Потребитель – предприятие, организация, территориально обособленный цех, строительная площадка, квартира, у которых приемники электроэнергии присоединены к электрической сети и используют электрическую энергию. Система электроснабжения – совокупность взаимосвязанных электроустановок, предназначенных для обеспечения потребителей электроэнергией. Электрическое хозяйство – совокупность генерирующих, преобразующих, передающих электроустановок, посредством которых осуществляется снабжение предприятия электроэнергией и эффективное использование ее в процессе технологического производства. Классификация электроприемников по частоте 1. Номинальная частота. Большинство электроприемников промышленных предприятий работает на переменном трехфазном токе частотой 50 Гц. 2. Повышенная частота. Установки повышенной частоты применяют для нагрева под закалку, ковку и штамповку металлов, а также для плавки металлов. Для питания высокоскоростных электродвигателей в текстильной промышленности, деревообработке и других случаях также используются токи повышенной частоты (133–400 Гц). Для получения частот до 10 кГц применяют преимущественно тиристорные преобразователи, а выше – электронные генераторы. Регулируемые частоты стали применяться для управления асинхронными двигателями. 3. Пониженная частота. К электроприемникам пониженной частоты относятся коллекторные электродвигатели, применяемые для транспортных целей (16,6 Гц), установки для перемешивания жидкого металла в печах (до 25 Гц) и индукционные нагревательные устройства. 4. Постоянный ток. Цехи электролиза, установки электролитического получения металлов, цехи гальванопокрытий, некоторые виды электросварки и электродвигатели питаются от сети постоянного тока. Классификация промышленных потребителей по типу электроприемников Первой и основной группой промышленных потребителей электроэнергии являются электрические двигатели (электромашины). В установках, не требующих регулирования скорости в процессе работы, применяются исключительно электроприводы переменного тока (асинхронные – особенно в диапазоне 0,3–630 кВт и синхронные двигатели до 30 МВт). Нерегулируемые электродвигатели переменного тока – основной вид электроприемников в промышленности, на долю которых приходится около 70 % суммарной мощности. В электрике электродвигателем считается электродвигатель, имеющий мощность 0,25 кВт и выше, двигатели меньшей мощности рассматриваются как средства автоматизации и в статистику электрики не попадают. Различные электротермические установки составляют вторую обширную по назначению группу потребителей. Это печи сопротивления косвенного и прямого действия, дуговые и индукционные печи, установки диэлектрического нагрева, электролизные и гальванические (металлопокрытий), высоковольтные электростатические. Как правило, от электротермических установок зависит технология и, следовательно, требования к электроснабжению. Большая единичная мощность может определять не только СЭС предприятия, но и сооружение районных подстанций энергоснабжающей организации. Наконец, третью обязательную группу электропотребления составляет электроосвещение (по нагрузке до десятков процентов). Классификация потребителей электроэнергии по размерам • Мини-потребитель, питающийся на низком напряжении и не имеющий электрослужбы (∼90 % всех потребителей РФ); • Мелкий потребитель, имеющий трансформаторные (один трансформатор или несколько) подстанции с высшим напряжением 10(6) кВ (около 9 %); • Средний потребитель, имеющий распределительные подстанции и развитое электрохозяйство со своей электрослужбой (∼0,9 %); • Крупный потребитель, имеющий главную понизительную подстанцию (подстанции) с высшим напряжением 35–500 кВ и специализированные цехи (подразделения в составе электрослужб). Для электроснабжения больших промышленных предприятий и крупных городов осуществляется глубокий ввод высокого напряжения, т.е. сооружение подстанций с первичным напряжением 110–500 кВ вблизи центров нагрузок. Сети внутреннего электроснабжения крупных городов – это сети 110 кВ, в отдельных случаях к ним относятся глубокие вводы 220/10 кВ. Сети сельскохозяйственного назначения в настоящее время выполняют на напряжение 0,4–110 кВ. Контрольные вопросы 1. Каковы цель и задачи изучаемой дисциплины? 2. Что такое «Энергосбережение», «Энергоноситель», «Топливно-энергетический ресурс», «Показатель энергетической эффективности», «Энергоемкость производства продукции»? 3. В чём состоит отличие между первичной и полезной энергиями? 4. Чем отличаются экономия ТЭР и рациональное использование ТЭР? 5. Какие виды потерь энергии существуют? 6. Какие основные этапы историческое развития энергетики Вам известны? 7. Что такое технологический уклад? Сколько технологических укладов Вам известно, чем они характеризуются? 8. Что такое энергетика? Какая основная цель энергетики? 9. Какие основные стадии процесса энергоиспользования Вам известны? 10. Какие продукты и технологии используются в энергетике? 11. Изобразите принципиальные технологические схемы энергетики и электроэнергетики. 12. Каким образом осуществляется добыча первичных энергоресурсов? 13. Какие способы производства, транспортировка, распределения и конечного потребления тепловой энергии Вам известны? Какие технологии и технические системы для этого применяются? 14. Какие способы производства, транспортировка, распределения и конечного потребления электрической энергии Вам известны? Какие технологии и технические системы для этого применяются? ТЕМА 2. Лекция 2 «Энергия. Топливно-энергетические ресурсы (ТЭР). Топливо. ВИЭ. Вторичные ТЭР» Содержание Лекции 2 2.1. Понятие «Энергия» 2.2. Виды энергии 2.3. Топливно-энергетические ресурсы (ТЭР). Классификация 2.4. Виды топлива, их характеристика и запасы 2.5. Единицы измерения энергии и энергоресурсов. Условное топливо 2.6. Вторичные топливно-энергетические ресурсы (ТЭР) 2.7. Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) 2.1. Понятие «Энергия» В историческом плане, примерно начиная с 1807 г., понятие «энергия» стало постепенно выделяться из многозначного понятия «сила». Особенно активно это понятие стало звучать в тот период, когда «движущая сила огня» начала использоваться в паровых машинах, где тепло от сжигаемого угля превращалось в механическую работу поршня, который перемещался под давлением пара. Несколько ранее интенсивность движения тел оценивали «живой силой» – произведением массы тела m на квадрат скорости v его движения mv2. В 1829 г. француз Г. Кориолис уточняет выражение живой силы, поделив его пополам – mv2/2. Несколько позднее энергию движущей силы стали называть кинетической, а энергию системы, приведенной в «напряженное» состояние – камень поднят над землей и т.п., − потенциальной. К середине ХIХ в. получил обоснование закон сохранения количества энергии при взаимопревращении ее видов в изолированных системах – первый закон природы, который точнее можно определить так: нельзя получить что-либо, не оплачивая это. В этот же период в полной мере осознается выдающаяся роль энергии в жизни и развитии человеческого общества, за что присваивают ей романтический титул «царицы мира». Естественно, в этот период появились и научные определения энергии. Приведем здесь только одно из многочисленных определений, которое принадлежит Ф. Энгельсу: «Энергия – это общая скалярная мера различных форм движения материи». Заметив, что все виды энергии превращаются в тепло, которое, переходя к более холодным телам, в конечном итоге рассеивается в окружающей среде, излучаясь затем в мировое пространство. Ученые в результате обнаружили «тень» энергии – энтропию – меру рассеяния энергии. По мере изучения этого явления Р. Клаузиусом и другими был сформулирован новый закон – закон снижения качества энергии (возрастания энтропии), ставший позже вторым законом термодинамики: какие бы изменения ни происходили в реальных изолированных системах, они всегда ведут к увеличению энтропии (невозможно помешать выравниванию энергии). Развитие учения об энергии и ее превращениях неоднократно сопровождалось попытками создания теорий и принципов работы оборудования, выходящих за рамки упомянутых выше первого и второго начал термодинамики. Наиболее интересные из них следующие. Разработка вечного двигателя (перпетуум-мобиле). Различалось два вида двигателей. Вечный двигатель первого рода можно определить как воображаемую, непрерывно действующую машину, которая, будучи как-то запущенной, совершила работу без получения энергии извне. Потребовалось длительное время, чтобы человечество убедилось в неосуществимости реализации такой машины, так как ее принцип работы противоречит закону сохранения и превращения энергии. Вечный двигатель второго рода – воображаемая тепловая машина, которая в результате совершения кругового процесса (цикла) полностью преобразует теплоту, получаемую от какого-то «неисчерпаемого» источника (океана, атмосферы и т.п.), в работу. Данный принцип также не может быть реализован, так как противоречит уже второму началу термодинамики. Но, пожалуй, наиболее впечатляющей была теория все того же Р. Клаузиуса – теория «тепловой смерти Вселенной». Он попытался распространить положения второго начала термодинамики на всю Вселенную. Согласно этим утверждениям, через какой-то достаточно длительный промежуток времени вся энергия, имеющаяся на Земле и в других частях Вселенной превратится в теплоту, а равномерное распределение последней между всеми телами Земли и Вселенной приведет к выравниванию каких бы то ни было превращений энергии. Данная «теория» была опровергнута рядом исследователей, в том числе Л. Больцманом в 1872 г. Он на основе молекулярно-кинетической теории продемонстрировал, что закон возрастания энтропии неприменим к Вселенной, потому что он справедлив только для статистических систем, состоящих из большого числа хаотически движущихся объектов, поведение которых, определяемое изменением параметров состояния (например, для газов – давление, температура, удельный объем), подчиняется законам теории вероятностей. Возрастание энтропии таких систем указывает лишь наиболее вероятное направление протекания процессов. В период опровержения теории тепловой смерти Вселенной немецкий физикохимик В. Нернст предположил, что с приближением абсолютной температуры к нулю энтропия тоже стремится к нулю, что впоследствии стало третьим законом термодинамики. Основываясь на этом законе, за нулевую точку отчета энтропии любой системы можно принимать ее максимальное упорядоченное состояние. Эти три закона и молекулярно-кинетическая теория составляют основу термодинамики, которая в настоящее время рассматривается как самая универсальная и строго логическая научная дисциплина. Таким образом, согласно современным представлениям энергия – это общая количественная мера различных форм движения материи. Имеются качественно разные физические формы движения материи, которые способны превращаться одна в другую. В середине ХХ в. было установлено, что все формы движения превращаются друг в друга в строго определенных отношениях. Именно это обстоятельство и позволило ввести понятие энергии как общей меры движения материи. 2.2. Виды энергии В настоящее время имеется научно обоснованная классификация видов энергии. Характеризуя их, приведем только те виды энергии, которые к настоящему времени наиболее часто используются как в повседневной жизни человека и в его производственно-хозяйственной деятельности. 1. Ядерная энергия – энергия связи нейтронов и протонов в ядре, освобождающаяся в различных видах при делении тяжелых ядер. 2. Термоядерная энергия – энергия связи нейтронов и протонов в ядре, освобождающаяся в различных видах при синтезе легких ядер. 3. Химическая энергия – энергия системы из двух или более реагирующих между собой веществ. Эта энергия высвобождается в результате перестройки электронных оболочек атомов и молекул при химических реакциях. 4. Механическая энергия – кинетическая энергия свободно движущихся тел и отдельных частиц. 5. Тепловая энергия – часть энергии теплового движения частиц тел, которая освобождается при наличии разности температур между данным телом и телами окружающей среды. 6. Электрическая энергия – энергия электромагнитного поля во всех его формах. 7. Энергия излучения (световая или лучистая энергия) – энергия, переносимая оптическим излучением. Из перечисленных выше видов в повседневной жизни непосредственно используются всего четыре вида: тепловая (~70-75 %), механическая (около 20-22 %), электрическая (~3–5 %) и энергия излучения (<1 %). Причем широко в электрическая энергия выполняет в основном роль переносчика энергии. Главным источником непосредственно используемых видов энергии служит пока химическая энергия минеральных органических горючих (уголь, нефть, природный газ и др.), запасы которой составляют доли процента всех запасов энергии на Земле и не являются возобновляемыми. В середине XX в. был введен в работу первый ядерный реактор, а в настоящее время все шире используются ВИЭ (воздушные потоки, солнечное излучение, речная вода и др.). 2.3. Топливно-энергетические ресурсы (ТЭР). Классификация Классификация топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) приведена на рис. 2.1. Рисунок 2.1 – Классификация ТЭР Первичные ТЭР подразделяются на возобновляемые и невозобновляемые. Возобновляемые ТЭР или возобновляемые источники энергии (ВИЭ) характеризуются их неистощаемостью в обозримом будущем и отсутствием естественных возможностей накопления энергии, и поэтому использование их возможно по мере возникновения в них энергии. Эти источники можно разделить на две группы: • Естественные, в производстве которых лежит постоянное получение энергии от Солнца (солнечная энергетика, гидроэнергетика, ветроэнергетика, воспроизводимая биомасса); • Антропогенные, куда входят тепловые, органические и другие отходы деятельности человека. Невозобновляемые (истощаемые) ТЭР – это естественно образовавшиеся и накопившиеся в недрах планеты запасы веществ, способные при определенных условиях высвобождать заключенную в них энергию. Это все виды ископаемого топлива (уголь, нефть, газ, торф), при сгорании которого расходуется кислород, выделяется тепло и вредные продукты сгорания: газообразные (СО, СО2, окислы серы, азота и др.) и твердые (пылевидные и компактные). Невозобновляемые ТЭР не могут быть возмещены. Процесс получения энергии из топлива негативно влияет в первую очередь на экологию атмосферы (например, возрастание содержания СО2 вызывает климатические изменения – парниковый эффект, уменьшение содержания О2 – одна из причин образования «озоновых дыр» – окон, через которые опасные для всего живого ультрафиолетовые излучения достигают Земли). Особыми видами невозобновляемых ТЭР являются расщепляющиеся (радиоактивные) вещества, находящиеся в недрах Земли. 2.4. Виды топлива, их характеристика и запасы Виды топлива и его характеристика Виды топлива подразделяются на следующие четыре группы: • твердое; • жидкое; • газообразное; • ядерное. С тех пор как человек научился пользоваться огнем, ему понадобилось топливо. Главное назначение топлива получение тепла и света, т.е. энергии. В процессе эволюции и развития требования к ассортименту топлива росли. Первоначальными видами топлива были дрова, а также жир рыб и животных. Первая промышленная революция, которая в XIX в. полностью преобразовала аграрные страны Европы, а затем и Америку, произошла в результате перехода от древесного топлива к ископаемому угольному. Потом пришла эра электричества. Открытие электричества оказало огромное влияние на жизнь человечества и обусловило зарождение и рост крупнейших городов мира. Применение нефти (жидкий вид топлива) и природного газа в сочетании с развитием электроэнергетики, а затем и освоение энергии атома позволили промышленно развитым странам осуществить грандиозные преобразования, итогом которых стало формирование современного облика Земли. Таким образом, к твердому виду топлива относят: • древесину, другие продукты растительного происхождения; • уголь (с его разновидностями: каменный, бурый); • торф; • горючие сланцы. Ископаемые твердые виды топлива (за исключением сланцев) являются продуктом разложения органической массы растений. Самый молодой из них торф, представляющий собой плотную массу, образовавшуюся из перегнивших остатков болотных растений. Следующими по «возрасту» являются бурые угли - землистая или черная однородная масса, которая при длительном хранении на воздухе частично окисляется (выветривается) и рассыпается в порошок. Затем идут каменные угли, обладающие, как правило, повышенной прочностью и меньшей пористостью. Органическая масса наиболее старых из них - антрацитов претерпела наибольшие изменения и на 93 % состоит из углерода. Антрацит отличается высокой твердостью. Естественным жидким топливом является нефть – смесь жидких углеводородов различных молекулярных весов и групп. Кроме того, в ней содержится некоторое количество жидких кислородных, сернистых и азотистых соединений. Природный газ чисто газовых месторождений состоит в основном из метана (95–98% СН4). В искусственных газообразных топливах (газ доменных и коксовых печей, генераторный газ) метана содержится мало. Горючими составляющими в них является в основном водород Н2 и окись углерода СО. Горючая часть топлива содержит углерод С, водород Н, кислород О, азот N и серу S. Основным элементом горючей части всех видов топлива является углерод С. Кислород и азот в топливе – органический балласт. Кислород, находясь в соединении с водородом или углеродом топлива, снижает количество теплоты, выделяющейся при сгорании. Азот при сжигании топлива в атмосфере воздуха не окисляется и переходит в продукты сгорания в свободном виде. Вредная примесь топлива – сера. При сгорании серы теплоты выделяется примерно в 3,5 раза меньше, чем при горении углерода. Содержание серы в топливе приводит к сильной коррозии низкотемпературных поверхностей нагрева. Негорючие минеральные примеси – балласт топлива. В газообразных топливах это углекислый газ СО2, азот N2 и водяные пары. В твердых топливах примеси состоят в основном из глины AL2O3 2SIO2 2H2O, свободного кремнезема SIO2 и железного колчедана FeS2. В горючих сланцах примеси – в основном кагосударствомонаты. В нефти негорючие примеси – это различные соли и окислы железа. Различают высшую и низшую теплоту сгорания топлива. Высшей теплотой сгорания топлива Q называется количество тепла, выделяющееся при полном сгорании 1 кг твердого (жидкого) или 1 м3 нормального газообразного топлива. Теплоту сгорания топлива определяют экспериментально с помощью приборов – калориметров. Теплота сгорания топлива выражается в единицах кДж/кг. Жидкие виды топлива получают путем переработки нефти. Сырую нефть нагревают до 300...370 °С, после чего полученные пары разгоняют на фракции, конденсирующиеся при различной температуре: • сжиженный газ (выход около 1 %); -бензиновую (около 15 %, tK=30...180 °С); • керосиновую (около 17 %, tK=120...135 °С); • дизельную (около 18%, tK=180...350 °С). Жидкий остаток с температурой начала кипения 330 ... 350 °С называется мазутом. Глубина переработки нефти (ГПН) измеряется в процентах и определяется по следующему выражению: ГПН=(V-Vм-VСН)/V·100%, где V – объём переработки; Vм – объём производства мазута; VСН – Объём потерь и расход топлива на собственные нужды. Газообразными видами топлива являются природный газ, добываемый как непосредственно, так и попутно с добычей нефти, называемый попутным. Основным компонентом природного газа является метан СН4 и в небольшом количестве азот N2, высшие углеводороды, двуокись углерода. Попутный газ содержит меньше метана, чем природный, но больше высших углеводородов, и поэтому выделяет при сгорании больше теплоты. В промышленности и, особенно в быту, находит широкое распространение сжиженный газ, получаемый при первичной переработке нефти. На металлургических заводах в качестве попутных продуктов получают коксовый и доменный газы. Они используются здесь же на заводах для отопления печей и технологических аппаратов. В районах расположения угольных шахт своеобразным «топливом» может служить метан, выделяющийся из пластов при их вентиляции. Газы, получаемые путем газификации (генераторные) или путем сухой перегонки (нагрев без доступа воздуха) твердых топлив, в большинстве стран практически вытеснены природным газом, однако в настоящее время снова возрождается интерес к их производству и использованию. В последнее время все большее применение находит биогаз — продукт анаэробной ферментации (сбраживание) органических отходов (навоза, растительных остатков, мусора, сточных вод и т.д.). Мировые запасы ископаемого топлива Анализ мировых запасов ископаемых видов топлива демонстрирует следующее: • Мировые запасы угля (каменного и бурого) по данным BP оцениваются в более, чем 890 млрд. тонн. При сохранении текущего уровня энергопотребления доказанных запасов угля человечеству хватит на 270-300 лет. • Мировые запасы нефти по данным BP оцениваются в более чем 1700 млрд. баррелей. При сохранении текущего уровня энергопотребления доказанных запасов нефти человечеству хватит на 50-60 лет; • Мировые запасы природного газа по данным BP оцениваются примерно в 187 трлн. м3. При сохранении текущего уровня энергопотребления доказанных запасов природного газа человечеству хватит на 50-60 лет. На рис. 2.2-2.4 приведены страны-лидеры по запасам ископаемых видов топлива. Рисунок 2.2 – Страны-лидеры по запасам угля Рисунок 2.3 – Страны-лидеры по запасам нефти Рисунок 2.4 – Страны-лидеры по запасам природного газа Ядерное топливо Главное отличие АЭС от ТЭС на органическом топливе состоит в использовании ядерного горючего вместо органического топлива. Ядерное горючее получают из природного урана, который добывают либо в шахтах (Франция, Нигер, ЮАР), либо в открытых карьерах (Австралия, Намибия), либо способом подземного выщелачивания (США, Канада, Россия). Природный уран – это смесь в основном неделящегося изотопа урана 238U (более 99 %) и делящегося изотопа 235U (0,71 %), который соответственно и представляет собой ядерное горючее. Россия обладает разведанными запасами урановых руд (более 615 тыс. тонн урана). Основная уранодобывающая компания, Приаргунское производственное горно-химическое объединение, добывает 93 % российского урана, обеспечивая 1/3 потребности в сырье. Процесс изготовления ядерного топлива начинается с добычи урановой руды, однако для работы ядерных реакторов АЭС требуется обогащение урана. Для этого природный уран направляется на обогатительный завод, где концентрат урана очищается и переводится в гексафторид урана, который обогащается в центрифугах и направляется на фабрикацию топлива. После переработки 90 % природного обедненного урана направляется на хранение, а 10 % приобретают обогащение до нескольких процентов (3,3-4,4 % для энергетических реакторов). Обогащенный уран (диоксид урана) направляется на завод, изготавливающий ТВЭЛы – тепловыделяющие элементы. Из диоксида урана изготавливают цилиндрические таблетки диаметром около 9 мм и высотой 15—30 мм. Эти таблетки помещают в герметичные тонкостенные циркониевые трубки длиной почти в 4 м. Тепловыделяющая сборка (ТВС) – машиностроительное изделие, содержащее делящиеся вещества и предназначенное для получения тепловой энергии в ядерном реакторе за счёт осуществления управляемой ядерной реакции. ТВС обычно представляет собой четырёхгранный (PWR) или шестигранный (ВВЭР) пучок ТВЭЛов длиной 2,5-3,5 м (что примерно соответствует высоте активной зоны ядерного реактора) и диаметром 30-40 см, изготовленный из нержавеющей стали или сплава циркония (для уменьшения поглощения нейтронов). ТВЭЛы собираются в ТВС для упрощения учёта и перемещения ядерного топлива в реакторе. В одной ТВС обычно содержится 150—350 твэлов, в активную зону реактора обычно помещается 200-450 ТВС. 2.5. Единицы измерения энергии и энергоресурсов. Условное топливо Для сравнения показателей топливопотребляющего оборудования и устройств, проведения экономических расчетов и планирования введено понятие так называемого условного топлива. Условное топливо представляет собой единицу учета органического топлива, применяемую для сопоставления эффективности различных видов топлива и суммарного учета. Использование условного топлива особенно удобно для сопоставления экономичности различных теплоэнергетических установок. В качестве единицы условного топлива применяется 1 кг топлива с теплотой сгорания 7000 ккал/кг (29,3 МДж/кг), что соответствует малозольному сухому углю. Для сравнения укажем, что бурые угли имеют теплоту сгорания менее 24 МДж/кг, а антрациты и каменные угли – 23-27 МДж/кг. Отношение Q/7000 называется калорийным коэффициентом используется для перевода ТЭР в условное топливо, и его принимают для: • нефти – 1,43; • природного газа – 1,154; • торфа – 0,34-0,41 (в зависимости от влажности); • торфобрикетов - 0,45-0,6 (в зависимости от влажности); • дизтоплива – 1,45; • мазута – 1,37. Теплотворная способность различных видов топлива, ккал/кг, составляет примерно: • нефть – 10000; • природный газ – 8000 (ккал/ м3); • каменный уголь – 7000; • дрова влажностью 10 % – 3900; • торф влажности 10% – 4100. В табл. 2.1 и 2.2 представлена связь между единицами измерения ТЭР. Таблица 2.1. – Связь между единицами измерения ТЭР А Б 1 Гкал 1 ГДж 1000 кВт·ч 1 т у.т. 1 т нефтяного эквивалента 1 т дизельного топлива 1 т автомобильного бензина 1000 л.с·ч 1 Гкал 1 4,190 1,163 0,143 0,100 0,099 0,094 1,582 1 ГДж 0,234 1 0,278 0,034 0,0234 0,024 0,022 0,377 1000 кВт·ч 0,860 3,600 1 0,123 0,086 0,085 0,081 1,359 1 т у.т. 7,000 29,310 8,130 1 0,700 0,690 0,658 11,111 1 т нефтяного эквивалента 10,000 41,900 11,630 1,430 1 0,986 0,941 15,890 1 т. дизельного топлива 10,140 42,487 11,793 1,45 1,014 1 0,954 16,109 1 т автомобильного бензина 10,629 44,537 12,362 1,52 1,063 1,078 1 16,887 1000 л.с·ч 0,632 2,650 0,736 0,090 0,0632 0,0641 0,0691 1 Значения искомой величины в ячейке строки А рассчитываются как произведение значения исходной величины в ячейке столбца Б и коэффициента k в ячейке, находящейся на пересечении строки и столбца: А=kБ. Таблица 2.2. – Справочник коэффициентов для пересчета ТЭР в тонны условного топлива (т у.т.) № Вид натурального ТЭР Ед. изм. Обозначение Коэффициент 1 Электроэнергия тысяча киловатт-часов тыс. кВт·ч 0,123 2 Тепловая энергия гигакалория Гкал 0,143 3 Бензин тонна т 1,49 4 Керосин тонна т 1,47 5 Дизельное топливо тонна т 1,45 6 Газ тонна т 1,57 7 Газ горючий природный тысяча кубических метров тыс. м³ 1,154 8 Нефть тонна т 1,43 9 Нефтепродукты тонна т 1,43 10 Газовый конденсат тонна т 1,43 11 Попутный нефтяной газ тысяча кубических метров тыс. м³ 1,154 12 Твердое топливо тонна т 0,467 13 Жидкое топливо тонна т 1,37 14 Моторное топливо тонна т 1,43 15 Уголь каменный тонна т 0,768 16 Уголь бурый тонна т 0,467 17 Сланцы горючие тонна т 0,3 18 Торф топливный тонна т 0,34 19 Дрова для отопления кубический метр м³ 0,266 20 Мазут топочный тонна т 1,37 21 Мазут флотский тонна т 1,43 22 Топливо печное бытовое тонна т 1,45 23 Пропан тонна т 1,57 24 Метан тысяча кубических метров тыс. м³ 1,154 25 Кокс нефтяной и сланцевый тонна т 1,08 26 Брикеты угольные тонна т 0,605 27 Брикеты и полубрикеты торфяные тонна т 0,6 28 Древесные обрезки, стружка, опилки тонна т 0,36 29 Керосин для технических целей тонна т 1,47 30 Топливо для реактивных двигателей тонна т 1,47 2.6. Вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) Вторичные энергетические ресурсы – это энергия, получаемая в ходе любого технологического процесса в результате недоиспользования первичной энергии или в виде побочного продукта основного производства и не применяемая в этом технологическом процессе. Необходимость использования ВЭР объясняется тем, что коэффициент полезного использования (КПИ) энергоресурсов – главный показатель эффективности производства – не достигает 40%, что свидетельствует о существовании больших ресурсов экономики. Утилизация ВЭР позволяет получить большую экономию топлива и существенно снизить капитальные затраты на создание соответствующих энергосберегающих установок. На современных нефтеперерабатывающих заводах в процессе тепловой переработки затрачивается до 12% нефти, теплота, от сжигания которой рассеивается в атмосфере, т.е. теряется безвозвратно. Велики тепловые потери и на газокомпрессорных станциях магистральных газопроводов. Большие количества топлива потребляет и химическая промышленность, а также производство строительных материалов: цемента, керамики, кирпича, стекла, железобетонных изделий и т.п.; потери теплоты в них достигают 40-50%. Значительное количество теплоты (более 70%) рассеивается с выхлопными газами, имеющими температуру 270-400С, газотурбинных установок (ГТУ). Теплота отработанных газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) может быть использована для отопления. Эти задачи решаются с помощью теплообменников на тепловых трубах. Применительно к ВЭР вводятся следующие термины и понятия. Общие энергетические отходы – это энергетический потенциал всех материальных потоков на выходе из технологического агрегата (установки, аппарата) и все потери энергии в агрегате. Общие энергетические отходы подразделяются на три потока: 1) неизбежные потери энергии в технологическим агрегате; 2) энергетические отходы внутреннего использования – энергетические отходы, которые возвращаются обратно в технологический агрегат за счет регенерации и рециркуляции; 3) энергетические отходы внешнего использования – энергетические отходы, представляющие собой вторичные энергетические ресурсы. Различают ВЭР: горючие, тепловые и избыточного давления. Горючие ВЭР – это горючие газы и отходы одного производства, которые могут быть применены непосредственно в виде топлива в других производствах. Это доменный газ – металлургия; щепа, опилки, стружка – деревообрабатывающая промышленность; твердые, жидкие, промышленные отходы в химической и нефтегазоперерабатывающей промышленности и т.д. ВЭР избыточного давления – это потенциальная энергия покидающих установку газов, воды, пара с повышенным давлением, которая может быть еще использована перед выбросом в атмосферу. Основное направление таких ВЭР – получение электрической или механической энергии. Тепловые ВЭР – это физическая теплота отходящих газов, основной и побочной продукции производства; теплота золы и шлаков; теплота горячей воды и пара, отработанных в технологических установках; теплота рабочих тел систем охлаждения технологических установок. Тепловые ВЭР могут использоваться как непосредственно в виде теплоты, так и для раздельной или комбинированной выработки теплоты, холода, электроэнергии в утилизационных установках. Температура отходящих газов различных промышленных печей (термических, прокатных и кузнечных) и нагревательных устройств колеблется от 800-900 С до 900-1200 С в, что позволяет в котлах-утилизаторах вырабатывать пар высоких параметров для технологических и энергетических нужд. Основным способом утилизации теплоты уходящих газов котельных агрегатов, ТЭЦ, промышленных печей помимо использования ее для собственных нужд в различных технологических процессах является применение теплоиспользующих установок для подогрева воды или воздуха, а также котлов-утилизаторов и ГТУ. 2.7. Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) Основными источниками возобновляемой энергии являются: • солнечное излучение; • гравитационное взаимодействие Солнца, Луны и Земли (имеющее следствием, например, морские приливы и отливы); • тепловая энергия ядра Земли, а также химических реакций и радиоактивного распада в ее недрах (проявляющаяся, например, в виде геотермальной энергии источников горячей воды – гейзеров). Солнечная энергетика Солнечные водоподогреватели. Преобразование солнечной энергии в тепловую обеспечивается за счет способности атомов вещества поглощать электромагнитное излучение. При этом энергия электромагнитного излучения преобразуется в кинетическую энергию атомов и молекул вещества, т.е. в тепловую энергию. Результатом этого является повышение температуры. Для энергетических целей наиболее распространенным является использование солнечного излучения для нагрева воды в системах отопления и горячего водоснабжения. Подогреватели воздуха. Солнечное излучение можно использовать для подогрева воздуха, просушивания зерна, для обогрева зданий. На обогрев зданий в странах с холодным климатом расходуется до половины энергетических ресурсов. Специально спроектированные или перестроенные здания для использования солнечного тепла позволяют сэкономить значительные количества топлива. Поскольку теплопроводность воздуха намного ниже, чем воды, передача энергии от приемной поверхности к теплоносителю (воздуху) происходит намного слабее. Поэтому нагреватели такого типа чаще всего изготавливают с шероховатыми (для потока) и имеющими большую площадь приемными поверхностями (для увеличения поверхности теплообмена). Концентраторы солнечной энергии (солнечные коллекторы). Концентрирующий коллектор включает в себя приемник, поглощающий излучение и преобразующий его в какой-либо другой вид энергии, и концентратор, который представляет собой оптическую систему, собирающую солнечное излучение с большой поверхности и направляющую его на приемник. Обычно концентратор постоянно вращается для обеспечения ориентации на Солнце. Чаще всего он представляет собой зеркало параболической формы, в фокусе которого располагается приемник излучения. Солнечные системы для получения электроэнергии (солнечные электростанции). Концентрация солнечной энергии позволяет получать температуры до 700 С, которой достаточно для работы теплового двигателя. Например, параболический концентратор с диаметром зеркала 30 м позволяет сконцентрировать мощность излучения порядка 700 кВт, что дает возможность получить до 200 кВт электроэнергии. Для создания солнечных электростанций большой мощности (порядка 10 МВт) возможны два варианта: рассредоточенные коллекторы и системы с центральной солнечной башней. Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую (фотоэлектрические преобразователи) становится возможным при использовании такого физического явления, как фотоэффект. Фотоэффектом называются электрические явления, происходящие при освещении вещества светом, а именно: выход электронов из металлов (фотоэлектрическая эмиссия, или внешний фотоэффект); перемещение зарядов через границу раздела полупроводников с различными типами проводимости (вентильный фотоэффект); изменение электрической проводимости (фотопроводимость). При освещении границы раздела полупроводников с различными типами проводимости (р-n) между ними устанавливается разность потенциалов (фотоЭДС). Это явление называется вентильным фотоэффектом, на котором основано создание фотоэлектрических преобразователей энергии (фотопанелей). Наиболее распространенным полупроводником, используемым для создания солнечных элементов, является кремний. Ветроэнергетика Существуют препятствия максимального использования энергии ветра – непостоянство его направления и силы и необходимость аккумулирования энергии на случай отсутствия ветра. Поэтому ветроэнергетика может быть одним из путей получения дополнительной энергии, позволяющей сократить расход органического топлива. Проблема аккумулирования энергии – стоимость аккумуляторов достигает до 20% от стоимости всей ветроустановки. Устройства, преобразующие энергию ветра в полезную механическую, электрическую или тепловую виды энергии, называются ветроэнергетическими установками (ВЭУ), или ветроустановками. Основными элементами ветроэлектрогенераторов являются:1) собственно ветроустановка; 2) электрогенератор; 3) система управления параметрами генерируемой электроэнергии в зависимости от изменения силы ветра и скорости вращения ветроколеса; 4) так как периоды безветрия неизбежны, то для исключения перебоев в электроснабжении ВЭУ должны иметь аккумуляторы электрической энергии или быть запараллелены с электроэнергетическими установками других типов. Одним из способов управления электроэнергией ВЭУ является выпрямление переменного тока ВЭУ и затем преобразование его в переменный ток с заданными стабилизированными параметрами. Гидроэнергетика и геотермальная энергетика Энергия приливов. Кроме широко известных ГЭС, использующих энергию потока речной воды, могут применяться и приливные электростанции (ПЭС). Приливные колебания уровня океана планеты предсказуемы и связаны с гравитационным воздействием Луны на водные пространства Земли. Основные периоды этих колебаний – суточные продолжительностью около 24 ч и полусуточные – около 12 ч 25 мин. Разность между последовательными самым высоким и самым низким уровнями воды составляет 0,5-10 м (высота прилива). Во время приливов и отливов перемещение водных масс образует приливные течения, скорость которых в прибрежных проливах и между островами может достигать 5 м/с. Из современных ПЭС наиболее хорошо известны крупномасштабная электростанция Ранс (Бретань, Франция) и небольшая опытная станция в Кислой Губе на побережье Баренцева моря. Геотермальная энергия Земли, обусловленная радиоактивным распадом в недрах, в целом оценивается мощностью около 32 ТВт. Если бы ее выход к поверхности земли был равномерным, то она была бы непригодна для использования. Однако значительные ее выходы локализованы в районах вулканической активности, где концентрация подземного тепла во много раз больше. По результатам обследования таких районов геотермальные ресурсы мира, в принципе доступные для использования, оценены в 140 ГВт. Общая установленная мощность ГеоТЭС в мире (США, Италия, Новая Зеландия, Мексика, Япония, Исландия, Россия и др.) не превышает 1,5 ГВт (в пересчете на электрическую мощность). Контрольные вопросы 1. Что такое «Энергия»? 2. Какие виды энергии существуют? 3. Приведите классификацию топливно-энергетических ресурсов. 4. В чем состоит отличие возобновляемых и невозобновляемых ТЭР? 5. Какие виды топлива Вы знаете? Приведите примеры. 6. Что такое высшая теплотой сгорания топлива? Как она определяется и в чем измеряется? 7. Что такое глубина переработки нефти? Как определяется этот показатель? 8. На сколько лет при текущем уровне энергопотребления человечеству хватит угля, нефти и природного газа? 9. Какие страны являются лидерам по запасам ископаемых видов топлива? 10. Опишите процесс изготовления ядерного топлива. 11. Что такое условное топливо и калорийный коэффициент? Как осуществляется перевод различных видов энергоресурсов в условное топливо? 12. Что такое вторичные энергетические ресурсы? Приведите примеры. 13. Какие виды ВИЭ Вам известны? ТЕМА 3. Лекция 3 «Энергосбережение. Характеристика энергосбережения как вида деятельности. Нормативно-правовая база. Методы и формы энергосбережения» Содержание Лекции 3 3.1. Энергосбережение как вид деятельности 3.2. Нормативная база Российской Федерации в области энергосбережения 3.3. Методы и формы энергосбережения 3.1. Актуальность энергосбережения как вида деятельности Энергосбережение – это реализация правовых, организационных, научных, производственных, технических и экономических мер (методов), направленных на эффективное (рациональное) использование (и экономное расходование) ТЭР и на вовлечение в хозяйственный оборот возобновляемых источников энергии. В более узком смысле (для конкретной организации) энергосбережение – это комплекс мероприятий, позволяющий реализовать экономически обоснованный потенциал снижения энергоемкости товарной продукции и условно постоянных (не зависящих от объема продукции) затрат энергоресурсов. Основные задачи энергосбережения: 1. Объективная оценка эффективности использования ТЭР. 2. Повышение энергетической эффективности процессов энергоиспользования на всех технологических этапах и во всех сферах. 3. Создание, разработка и внедрение энергоэффективных технологий и оборудования. 4. Создание, разработка и внедрение эффективных организационно-экономических механизмов управления энергоэффективностью. 5. Создание организационно-правовых и финансово-экономических условий для повышения эффективности энергоиспользования. 6. Стимулирование участников процессов энергоиспользования к повышению эффективности энергоиспользования (пропаганда энергосбережения). В настоящее время энергосбережение и повышение энергетической эффективности являются одним из ключевых направлений мировой энергетической политики и энергетической политики России. В развитых странах в отличие от прежней ориентации на крупномасштабное наращивание производства энергетических ресурсов высшим приоритетом энергетической стратегии является повышение эффективности энергопользования у потребителей, т.е. энергосбережение. Во многих странах разработаны национальные, региональные и отраслевые целевые программы энергосбережения и повышения энергоэффективности, включающие обширный комплекс мероприятий по совершенствованию структуры потребления энергоносителей, развитию материально-технической базы экономии ресурсов, более полному извлечению полезных компонентов, сбору и использованию вторичного сырья, контролю и учету энергопотребления. Предприятия и организации развитых стран также активно вовлечены в проблематику энергосбережения и создают системы управления энергоэффективностью для обеспечения экономии ТЭР. Реализация данных программ и систем позволяет обеспечить рациональное потребление ТЭР, сократить энергетические издержки и снизить негативное воздействие на окружающую среду на макро-, мезо- и микроуровнях народного хозяйства. Реализация мер по энергосбережению и повышению энергоэффективности в России актуально вследствие следующих основных долговременных факторов: • Макроэкономический. Потенциальный дефицит освоенных запасов нефти и природного газа ставит под угрозу удовлетворение международных контрактов и внутреннего спроса в будущем (обеспечение экономии первичных ТЭР за счет энергосбережения позволит «высвободить» эти ресурсы для стабильного обеспечения потребностей внутреннего и внешнего рынков и привлечь дополнительные финансовые средства в государственный бюджет). • Микроэкономический. Стабильный рост цен на энергоресурсы в условиях рыночной экономики в совокупности с высокой энергоемкостью экономики, промышленности и предприятий России приводит к существенному увеличению издержек и снижению их конкурентоспособности на внутреннем и внешних рынках со всеми вытекающими последствиями. • Экономико-географический. Энергоресурсы Российской Федерации сосредоточены, главным образом, в восточной части страны, а основные центры энергопотребления – на Урале и к западу от него. Это приводит к колоссальным затратам на транспортировку углеводородного топлива, сравнимым с затратами на их получение. По данным отчета Всемирного банка и Центра по эффективному использованию энергии, реализовав потенциал повышения энергоэффективности, Россия может сэкономить: • 240 млрд. м3 природного газа; • 340 млрд. кВт·ч электроэнергии; • 89 млн. т угля; • 43 млн. т сырой нефти и ее эквивалента в виде нефтепродуктов. Самое значительное снижение конечного потребления энергии может быть достигнуто: • в ЖКХ (более 76 млн. т у.т.); • в производстве электроэнергии (более 63 млн. т у.т.); • в обрабатывающей промышленности (более 59 млн. тут); • на транспорте (около 55 млн. тут); • в системах теплоснабжения (около 45 млн. тут). Таким образом, реализация мер по энергосбережению и повышению энергетической эффективности позволяют достигнуть следующих позитивных результатов на макро- и микроэкономических уровнях в народном хозяйстве: • сокращение нерационального потребления ТЭР, что позволяет высвобождать энергоресурсы для предотвращения дефицита на внутреннем рынке и увеличения их экспорта на международные рынки; • снижение энергетических издержек, экономия денежных средств на закупку ТЭР и их перераспределение с целью более эффективного использования в условиях стабильного роста цен на ТЭР и повышения конкурентоспособности предприятий, промышленности и экономики в целом; • снижение негативного воздействия на окружающую среду вследствие сокращения выбросов загрязняющих веществ, образующихся в результате функционирования энергетических объектов и установок; • рост инновационной активности в области научно-технической деятельности. 3.2. Стратегические документы и нормативная база Российской Федерации в области энергосбережения В Российской Федерации на федеральном уровне стратегическое управление и законодательное регулирование в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности осуществляется на основе: • Энергетической стратегии России; • Доктрины энергетической безопасности; • Федерального закона от 23.11.2009 № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности…» и других федеральных законов; • законов и иных нормативных правовых актов субъектов Российской Федерации, муниципальных правовых актов в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности. Энергетическая стратегия России Энергетическая стратегия (ЭС) России – стратегический документ, определяющий цели и задачи долгосрочного развития энергетики Российской Федерации, а также механизмы государственной энергетической политики. Цель ЭС – переход топливно-энергетического комплекса (ТЭК) страны через структурную трансформацию на более высокий, качественно новый уровень, максимально содействующий динамичному социально-экономическому развитию Российской Федерации. ЭС разрабатывается в соответствии с Федеральным законом от 28 июня 2014 г. № 172-ФЗ «О стратегическом планировании в Российской Федерации». На настоящий момент действует ЭС-2035, утвержденная Распоряжением Правительства Российской Федерации от 09.06.2020 № 1523-р на период 15-20 лет (актуализация не реже одного раза в 5 лет). Период ЭС-2035 с учетом существующего механизма реализации документов стратегического планирования разделен на 2 этапа (I этап – до 2024 г., II этап – 2025-2035 гг.). В качестве года для установления базового уровня показателей и параметров выбран 2018 г. Содержание ЭС-2035: 1. Общие положения. 2. Цель, приоритеты и направления развития энергетики Российской Федерации. 3. Оценка состояния и тенденций развития мировой энергетики и энергетики Российской Федерации. 4. Задачи и ключевые меры развития энергетики Российской Федерации. 5. Механизм, этапы и основные результаты реализации настоящей Стратегии. 6. Приложения (показатели реализации ЭС-2035, прогнозный ТЭБ, перечень перспективного оборудования). В соответствии с положениями ЭС-2035 стратегической задачей является развитие энергосбережения и повышение энергетической эффективности в отраслях ТЭК. В комплекс ключевых мер, обеспечивающих решение задачи развития энергосбережения и повышения энергоэффективности, входят: • совершенствование нормативно-правовой базы, включая введение запрета на производство и использование энергетически неэффективной техники, оборудования, зданий, технологических процессов; • налоговое и неналоговое стимулирование использования организациями ТЭК наилучших доступных технологий (НДТ), включая разработку и применение соответствующих справочников и реестров НДТ в целях технического и экологического регулирования, а также приобретения энергоэффективного оборудования; • использование средств бюджетов различных уровней, внебюджетных средств, средств институтов развития, организация льготного заемного финансирования проектов в области энергоэффективности и энергосбережения (включая компенсацию процентной ставки по соответствующим кредитам); • совершенствование нормативно-правовой базы рынка энергосервисных услуг; • обновление существующих и внедрение новых систем энергоменеджмента в соответствии с требованиями стандарта ISO 50001:2018; • обмен опытом и распространение лучших практик энергосбережения и повышения энергетической эффективности в отраслях ТЭК. Важным следствием политики энергосбережения станет также существенное сдерживание роста эмиссии парниковых газов и сокращение организациями топливно-энергетического комплекса вредных выбросов в окружающую среду. Показатели решения задачи развития энергосбережения и повышения энергоэффективности в отраслях ТЭК приведены в табл. 3.1. Таблица 3.1 – Показатели решения задачи развития энергосбережения и повышения энергоэффективности в отраслях ТЭК России № Показатель 2018 2024 2035 1 Коэффициент полезного использования попутного нефтяного газа, % 85,1 90 95 2 Снижение удельного потребления электрической энергии на транспортировку нефти (нефтепродуктов) в сопоставимых условиях, процент к базовому уровню, % - 1,2 3,3 3 Снижение удельного расхода ТЭР на собственные технологические нужды магистрального транспорта газа, процент к базовому уровню, % - 12 17 4 Удельный расход топлива при производстве тепловой энергии, кг/Гкал 169,2 164,2 159,3 5 Доля выработки электрической энергии теплоэлектроцентралями по теплофикационному циклу, % 30,4 33 40 6 Удельный расход топлива на отпуск электрической энергии, г у.т./кВт·ч 309,8 285,4 255,6 7 Уровень потерь электрической энергии в электрических сетях, не более, % 10,6 9,8 7,3 Доктрина энергетической безопасности Российской Федерации Доктрина энергетической безопасности Российской Федерации – документ стратегического планирования в сфере обеспечения национальной безопасности Российской Федерации, в котором отражены официальные взгляды на обеспечение энергетической безопасности России. Текущая версия Доктрины энергетической безопасности утверждена Указом Президента Российской Федерации от 13 мая 2019 г. № 216. Энергетическая безопасность – состояние защищенности экономики и населения страны от угроз национальной безопасности в сфере энергетики, при котором обеспечивается выполнение предусмотренных законодательством Российской Федерации требований к топливо- и энергоснабжению потребителей, а также выполнение экспортных контрактов и международных обязательств Российской Федерации; Субъекты энергетической безопасности – федеральные органы государственной власти, органы государственной власти субъектов Российской Федерации, органы местного самоуправления, организации топливно-энергетического комплекса и организации, осуществляющие деятельность в смежных отраслях экономики, реализующие комплекс правовых, политических, организационных, информационных, производственных и иных мер, направленных на управление рисками в области энергетической безопасности и реагирование на вызовы и угрозы энергетической безопасности; Угроза энергетической безопасности – совокупность условий и факторов, создающих возможность нанесения ущерба энергетике Российской Федерации; Вызов энергетической безопасности – совокупность условий и факторов, создающих новые стимулы для развития мировой энергетики или новые направления ее развития, но также способных привести к возникновению угрозы энергетической безопасности; Риск в области энергетической безопасности – возможность перерастания вызова энергетической безопасности в угрозу, реализации угрозы энергетической безопасности или наступления иных обстоятельств, оказывающих отрицательное влияние на состояние энергетической безопасности, в зависимости от действий или бездействия субъектов энергетической безопасности. Содержание: 1. Общие положения. 2. Вызовы и угрозы энергетической безопасности, риски в области энергетической безопасности. 3. Цель, принципы, основные направления и задачи обеспечения энергетической безопасности. 4. Организационные основы обеспечения энергетической безопасности. Вызовы энергетической безопасности: • Внешнеэкономические; • Внешнеполитические; • Внутренние; • Трансграничные. Угрозы энергетической безопасности: • Внешнеэкономические; • Внешнеполитические; • Военно-политические; • Внутренние; • Трансграничные. Риски в области энергетической безопасности вытекают из вызовов и угроз. Цель обеспечения энергетической безопасности – поддержание защищенности экономики и населения страны от угроз энергетической безопасности на уровне, соответствующем требованиям законодательства Российской Федерации (в том числе касаемо обеспечения энергосбережения и повышения энергетической эффективности). Принципы обеспечения энергетической безопасности: • Законность; • Приоритет внутреннего рынка; • Стабильность налоговой политики и нормативно-правового регулирования в сфере энергетики; • Сырьевая, финансовая и кадровая обеспеченность организаций ТЭК; • Рациональное природопользование и энергетическая эффективность; • Государственно-частное партнерство; • Учет интересов всех субъектов энергетической безопасности и населения. Обеспечение энергетической безопасности осуществляется в мирное время, в условиях чрезвычайных ситуаций, в период мобилизации и в военное время. Реализация Доктрины энергетической безопасности осуществляется субъектами энергетической безопасности в рамках государственной энергетической политики Российской Федерации, цели, основные направления, задачи и ключевые меры которой определяются Президентом Российской Федерации, Правительством Российской Федерации и уполномоченными федеральными органами исполнительной власти. Стимулирование энергосбережения и повышения энергетической эффективности экономики является одним из основных направлений деятельности по обеспечению энергетической безопасности. Федеральный закон от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации (с изменениями и дополнениями)» ФЗ-261 регулирует отношения по энергосбережению и повышению энергетической эффективности. Цель ФЗ-261 – создание правовых, экономических и организационных основ стимулирования энергосбережения и повышения энергетической эффективности. Сфера действия ФЗ-261. Действие ФЗ-261 распространяется на деятельность, связанную с использованием энергетических ресурсов и в отношении воды, подаваемой, передаваемой, потребляемой с использованием систем централизованного водоснабжения. Положения ФЗ-261, установленные в отношении организаций, осуществляющих регулируемые виды деятельности, применяются к осуществляемым этими организациями регулируемым видам деятельности. ФЗ-261 применяется к отношениям в области обороны страны и безопасности государства, оборонного производства, ядерной энергетики, производства расщепляющихся материалов с учетом положений законодательства Российской Федерации в области обороны, законодательства Российской Федерации в области использования атомной энергии. ФЗ-261 регулирует вопросы в области энергосбережения и повышения энергоэффективности, отраженные в его содержании: • Глава 1. Общие положения. • Глава 2. Полномочия органов государственной власти РФ, органов государственной власти субъектов РФ, органов местного самоуправления в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности. • Глава 3. Государственное регулирование в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности. • Глава 4. Энергетическое обследование. Декларирование потребления энергетических ресурсов. Саморегулируемые организации в области энергетического обследования. • Глава 5. Энергосервисные договоры (контракты) и договоры купли-продажи, поставки, передачи энергетических ресурсов, включающие в себя условия энергосервисных договоров (контрактов). • Глава 6. Информационное обеспечение мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности. • Глава 7. Энергосбережение и повышение энергетической эффективности в организациях с участием государства или муниципального образования и в организациях, осуществляющих регулируемые виды деятельности. • Глава 8. Государственная поддержка в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности. • Глава 9. Государственный контроль за соблюдением требований законодательства об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и ответственность за их нарушение. • Глава 10. Заключительные положения. Принципы правового регулирования в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности: • эффективное и рациональное использование энергетических ресурсов; • поддержка и стимулирование энергосбережения и повышения энергетической эффективности; • системность и комплексность проведения мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности; • планирование энергосбережения и повышения энергетической эффективности; • использование энергетических ресурсов с учетом ресурсных, производственно-технологических, экологических и социальных условий. 3.3. Методы и формы энергосбережения Методы энергосбережения Исходя из определения энергосбережения, приведенного в разделе 3.1, можно выделить следующие методы энергосбережения: • правовые методы – методы, заключающиеся в разработке и практическом применении положений нормативно-правовых документов применительно к юридическим и физическим лицам и государственном регулировании деятельности в области использования ТЭР, энергосбережения и повышения энергоэффективности; • организационные методы – методы, заключающиеся в создании систем управления энергоиспользованием на национальном, региональном, отраслевом и микроэкономическом уровнях для разработки и реализации политики, планов (программ) и мероприятий по энергосбережению и повышению энергоэффективности; • экономические методы – методы, заключающиеся в воздействии на экономические интересы юридических и физических лиц, участвующих в деятельности по использованию ТЭР при помощи экономических рычагов (стимулирование, перераспределение прибыли, налоговые и кредитные льготы и т.д.) для обеспечения деятельности, связанной с энергосбережением и повышением энергоэффективности. • производственные методы – методы, заключающиеся в организации производственного процесса, при котором будут производиться энергоэффективные товары и услуги; • технические методы – методы, заключающиеся в внедрении и использовании энергосберегающих технических систем и технологий, а также улучшении условий и режимов работы технических объектов в различных отраслях народного хозяйства для обеспечения необходимого уровня энергоэффективности; • научные методы – методы, заключающиеся во внедрении передовых достижений науки и техники и инноваций в хозяйственную деятельность страны для реализации мер по энергосбережению и повышению энергоэффективности. В рамках описанных выше методов реализуются конкретные мероприятия, примеры которых представлены в табл. 3.2. Таблица 3.2 – Методы и мероприятия по энергосбережению № Методы Мероприятия 1 Правовые - Разработка нормативно-правовых актов, регулирующих деятельность в области энергосбережения и энергоэффективности - Запрет государством производства и использования энергорасточительной продукции - Создание обязательств для предприятий проводить энергетические обследования, заполнять энергетические декларации, разрабатывать и внедрять программы энергосбережения - Установление обязательных к выполнению требований к классу энергоэффективности какой-либо продукции 2 Организационные - Построение систем энергетического менеджмента предприятий на базе международного стандарта ISO 50001:2018 - Разработка и контроль за реализацией программ энергосбережения на микро-, мезо- и макроуровнях - Повышение квалификации и назначение ответственных сотрудников на предприятии за энергосбережение - Разработка и внедрение системы информационного оповещения населения об энергосбережении (пропаганда энергосбережения) 3 Экономические - Стимулирование сотрудников, достигающих плановые значения в области энергосбережения и повышения энергоэффективности - Введение налоговых льгот для предприятий, приобретающих энергоэффективное оборудование - Введение пониженной кредитной ставки для предприятий, реализующих инвестиционные проекты в сфере энергосбережения - Изменение системы экономических взаимоотношений на энергетических рынках (например, внедрение системы скидок для предприятий, повышающих свою энергоэффективность) 4 Производственные - Улучшение регламентов осуществления производственных процессов - Оптимизация производственных процессов 5 Технические - Замена старого неэнергоэффективного оборудования на новое энергоэффективное оборудование - Реконструкция и модернизация системы энергоснабжения предприятия с целью экономии ТЭР - Оптимизация режимов работы системы электроснабжения предприятия - Оборудование потребителей автоматизированными системами учета ТЭР 6 Научные - Создание баз данных по наилучшим доступным технологиям в сфере энергосбережения и энергоэффективности - Использование новых, ранее не внедрённых, технических и технологических решений - Применение новых энергоэффективных материалов - Применение новых знаний из экономических и управленческих наук для решения задач энергосбережения и повышения энергоэффективности Формы энергосбережения Достаточно широкое распространение в РФ нашли следующие практические формы энергосбережения: • проведение обязательных энергетических обследований и декларирование потребления ТЭР предприятиями; • разработка программ энергосбережения и реализация энергосберегающих мероприятий; • обязательная установка приборов учета ТЭР и воды; • реализация инвестиционных проектов по энергосбережению на основе инструмента энергосервисных договоров (контрактов); • построение и сертификация систем энергетического менеджмента на основе требований международного стандарта ISO 50001:2018; • создание государственной информационной системы «Энергоэффективность» и пропаганда энергосбережения; • льготные налоговые и кредитный режим для предприятий, закупающих энергоэффективное оборудование; • ограничительные меры для производителей неэнергоэффективной продукции (например, запрет ламп накаливания); Контрольные вопросы 1. Каковы основные задачи энергосбережения? 2. Какие нормативные акты регламентируют деятельность в области энергосбережения и повышения энергоэффективности в Российской Федерации? 3. Какие факторы обуславливают актуальность энергосбережения и повышения энергетической эффективности в России? 4. В чем заключаются положительные последствия реализации энергосберегающих мер? 5. Каковы назначение и цель ЭС-2035? Какие ключевые меры, обеспечивающие решение задачи развития энергосбережения и повышения энергоэффективности, предписывает ЭС-2035? 6. Что такое Энергетическая безопасность? 7. Каковы цель и принципы обеспечения энергетической безопасности? 8. Что регулирует ФЗ-261? Каковые его цель и сфера действия? 9. Перечислите принципы правового регулирования в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности. 10. Перечислите и охарактеризуйте методы энергосбережения. 11. Какие формы энергосбережения Вам известны? 12. Какие направления энергосбережения в РФ Вы знаете? ТЕМА 3. Лекция 4 «Нормирование энергопотребления. Энергобалансы. Оценка эффективности энергоиспользования. Энергосберегающие мероприятия» Содержание Лекции 4 4.1. Нормирование энергопотребления 4.2. Энергетические балансы 4.3. Оценка эффективности использования ТЭР 4.4. Энергосберегающие мероприятия 4.1. Нормирование энергопотребления Общие положения, цели и задачи нормирования Нормирование расхода топлива, тепловой и электрической энергии – это установление плановой нормы их потребления. Все промышленные и приравненные к ним предприятия обязаны иметь разработанные и утвержденные в установленном порядке нормы удельного расхода топлива, тепловой и электрической энергии. Нормированию подлежат все расходы энергоносителей (топливо, тепловая и электрическая энергия) по предприятию как на основные, так и на подсобные нужды производства, включая производство холода, сжатого воздуха, кислорода, освещение, водоснабжение, отопление, вентиляцию и потери во внутризаводских сетях и преобразователях энергии. Под нормированием расхода энергоносителей понимается установление плановой величины расхода топлива, тепловой и электрической энергии на производство единицы продукции, переработку сырья или выполняемый объем работ. Значение расхода энергоносителя на производство единицы продукции принято называть удельным расходом энергоносителя. При этом плановая величина расхода называется нормой удельного расхода, а фактический расход энергоносителя на единицу продукции называется удельным расходом (топлива, тепловой и электрической энергии, сжатого воздуха и т. д.). Под удельной нормой расхода понимается не произвольно принятая величина расхода, а объективно необходимый расход энергоносителей на производство единицы продукции или объема работы при данных условиях производства, обусловленного организацией и технологией процесса производства; техническим уровнем применяемого технологического и энергетического оборудования; техническим состоянием и режимом работы производственного оборудования. Норма удельного расхода энергоносителей устанавливается на основе технико-экономического расчета и является максимально допустимой величиной расхода энергоносителей для производства единицы продукции (или объема работы) установленного качества. Как правило, для промышленных предприятий устанавливаются годовые нормы удельных расходов энергоносителей, с дифференциацией их по кварталам и месяцам, а также по цехам, энергоемким технологическим процессам и агрегатам. Нормы расхода энергоресурсов должны пересматриваться при совершенствовании (изменении) технологии и организации производства и внедрении новой техники. Непосредственными целями нормирования энергоносителей являются: • определение для конкретных условий производства технически необходимого расхода энергоносителей на производство единицы продукции; • обеспечение рационального и экономного расходования энергоносителей в процессе производства; • установление исходной величины для определения потребности в энергоносителях на планируемый период. Важнейшей задачей нормирования энергоносителей является разработка и внедрение в промышленность научно и технически обоснованных, прогрессивных норм расхода энергоносителей в целях наиболее эффективного использования в процессе производства. Структура норм удельного расхода энергоносителей Для нормирования расхода энергоносителей и организации рационального их использования в производстве очень большое значение имеет выявление структуры общего потребления энергоносителей на предприятии. В соответствии со структурой потребления энергоносителей на предприятии должен быть организован приборный учет расхода энергоносителей по направлениям их использования и предприятию в целом. Структура энергопотребления зависит от мощности и профиля предприятия, характера и условий производства и обычно совпадает с производственной структурой предприятия. Структура общего энергопотребления предприятия позволяет производить анализ результатов использования энергоносителей, давать оценку работы персонала цехов по экономии расхода энергоносителей, выявлять и учитывать возможные резервы экономии при разработке планов организационно-технических мероприятий по экономии энергоносителей. Исходя из структуры общего энергопотребления на предприятии, должна быть организована система нормирования удельных расходов энергоносителей. Объектами нормирования энергоносителей на предприятии должны являться: энергоемкие технологические процессы и агрегаты (электроплавка металлов, термообработка, электролиз, прокатные станы, печи, котлы и котельные, компрессорные и т. п.); цехи, переделы и другие участки производства; предприятия в целом. Нормы расхода энергоносителей подразделяются на индивидуальные и отраслевые или средневзвешенные групповые нормы. Отраслевые нормы устанавливаются по ведомствам, объединениям, отраслям в целом (например, уголь, чугун, сталь, прокат, нефть, нефтепродукты, газ и т. д.). Они являются средневзвешенными нормами из норм предприятий выбранного ведомства, объединения, отрасли. В практике нормирования энергоносителей на предприятиях применяются только индивидуальные нормы, подразделенные на три группы: технологические (агрегатные), общецеховые и общезаводские. Эти нормы различаются между собой по своей структуре. Структура норм удельного расхода представляет собой перечень всех статей расхода энергоносителей, связанных с производством данного вида продукции (или выполняемой работы), включаемых в норму. Она является важнейшим элементом нормирования и устанавливается исходя из организации и технологии производства (характера и назначения нормы, условий полного охвата всех статей расхода энергоносителей, связанных с производством продукции), т. е. должна отражать действительную энергоемкость производства. В нормы удельного расхода не должны включаться расходы и потери, вызванные отступлением от заданной технологии, режимов работы, несоблюдением требований по качеству сырья и материалов, браком продукции, и другие нерациональные расходы. Расходы энергоносителей, связанные с межоперационными холостыми ходами оборудования, разогревом и пуском агрегатов (после текущего ремонта и холодного простоя), горячими простоями, включаются в норму расхода исходя из заводских нормативов. В норму расхода энергоносителей на производство основной продукции предприятия не должны включаться расходы на строительство и капитальный ремонт зданий и сооружений, монтаж нового технологического оборудования, собственные нужды заводских ТЭЦ, разогрев агрегатов и пуск их после монтажа и капитального ремонта, научно-исследовательские и экспериментальные работы; отпуск энергии на сторону (поселки, столовые, дома культуры и т.п.). В технологическую удельную норму включаются все расходы топлива, тепловой и электрической энергии на отдельный технологический процесс с учетом расходов на поддержание технологических агрегатов в горячем резерве, на их разогрев и пуск после текущих ремонтов и холодных простоев, а также технически неизбежных потерь в применяемом оборудовании, технологических агрегатах и установках. Технологические (агрегатные) нормы удельного расхода, как правило, устанавливаются для энергоемких процессов производства, в которых энергоносители используются непосредственно на технологию (электролиз, плавка металлов, нефтепереработка и т. п.), и энергоемких агрегатов (печи, котлы, прокатные станы, компрессоры и т. п.). Общецеховые нормы включают в себя расход топлива, тепловой и электрической энергии по технологическим нормам, установленным в цехе для энергоемких агрегатов, и все другие расходы, имеющие место в цехе как на основные и вспомогательные технологические процессы, так и на вспомогательные и подсобные нужды цеха, в том числе на освещение, вентиляцию, отопление, внутрицеховой транспорт, хозяйственно-бытовые и санитарно-гигиенические нужды цеха (умывальники, души, кабинеты личной гигиены рабочих); потери энергии во внутрицеховых сетях и преобразователях. Общецеховые нормы устанавливаются как для производственных, так и для вспомогательных цехов предприятия. Общезаводская норма включает в себя расход топлива, тепловой и электрической энергии по общецеховым нормам и расход на общезаводские нужды (производство сжатого воздуха, холода, кислорода, азота, подача воды), производственные нужды вспомогательных и обслуживающих цехов и служб (ремонтных, инструментальных и других цехов, заводских лабораторий, складов, административных зданий и т. п.), включая освещение, вентиляцию и отопление, межцеховой общезаводской транспорт, наружное освещение территории, обогрев заводских трубопроводов, межцеховое транспортирование сырья, полуфабрикатов и т.д., а также потери в заводских тепловых и электрических сетях и трансформаторах (до цеховых пунктов учета). Выбор единиц нормирования Нормируемая электроэнергия включает все расходы электроэнергии вне зависимости от напряжения и вида тока. Нормируемая тепловая энергия включает расходы тепла, передаваемого потребителям такими теплоносителями, как пар и горячая вода. Расходы тепла, передаваемого другими теплоносителями, обычно не нормируются. Нормирование потребления топлива, которое имеет большое разнообразие видов, сортов, марок, осуществляется для сравнительно небольшого круга ресурсов, составляющих две группы: котельно-печное и моторное топливо. Деление топлива на котельно-печное и моторное происходит в зависимости от того, где сжигается топливо: в топках котлов, в печах или в камерах двигателей внутреннего сгорания. Котельно-печное топливо является непосредственно нормируемым ресурсом, оно включает отдельные виды твердого топлива (уголь, торф, сланцы, дрова и др.), жидкого топлива (мазут, сырая нефть и др.) и газа (природный, попутный, коксовый и др.). Котельно-печное топливо нормируется как условное топливо с теплотворной способностью 29,31 ГДж/т (7000 ккал/кг). Моторные топлива как нормируемый ресурс (условное топливо) применяются чаще всего в двигателях внутреннего сгорания. Непосредственно нормируемые виды моторного топлива – автомобильный бензин, дизельное топливо, авиационный керосин, сжиженный газ и др. Системой норм и нормативов предусмотрена разработка нормативов предельного расхода ТЭР, которые должны способствовать реализации достижений научно-технического прогресса при проектировании и разработке машин, агрегатов и оборудования, а также при стандартизации энергоемкого оборудования. Норматив предельного расхода ТЭР является расчетным показателем расхода топлива, тепловой и электрической энергии на единицу продукции (работы), производимой машинами, агрегатами и оборудованием, установленным с учетом лучших мировых достижений научно-технического прогресса. Размерность норм ТЭР должна соответствовать единицам измерения, принятым при планировании и учете топлива, тепловой и электрической энергии, объемов производства продукции (работы), а также обеспечивать практическую возможность контроля за выполнением норм. Единицы нормирования: котельно-печное и моторное топливо - в килограммах, граммах условного топлива; тепловая энергия – в Гкал, тысячах ккал; электрическая энергия - в киловатт-часах. Нормируемый ресурс – условное топливо – имеет теплотворную способность 29,3 ГДж/т (7000 ккал/кг). Реальные топлива переводятся в условные при помощи калорийных эквивалентов, которые представляют собой отношение теплоты сгорания данного вида топлива к условному (Qрн/Qрн.усл, Qрн.усл=29,3). Нормы расхода ТЭР разрабатываются на единицу готовой продукции (тонну чугуна, стали, угля и т.д.) или единицу работы (автомобиль, трактор, холодильник и т.д.), выраженную в натуральных единицах, принятых в планировании. При производстве кислорода, сжатого воздуха и других газообразных продуктов расход ТЭР нормируется на 1 тыс. м3 продукта. Как правило, в нормах сопоставляются расходы ресурса и натуральные результаты производства. Вместе с тем допускается нормирование расхода ТЭР на единицу перерабатываемого сырья (тонну перерабатываемой нефти); при производстве однородной продукции (работы), но с различным составом изделий применяются условные единицы измерения (условная деталь и т.д.). В машиностроительной, текстильной, пищевой и других отраслях промышленности, выпускающих продукцию широкой номенклатуры, нормы расхода, как исключение, можно устанавливать на 1000 руб. товарной продукции. Одновременно для энергоемких производств данных отраслей промышленности (плавка и термообработка металлов, выработка сжатого воздуха, кислорода, водоснабжения и др.) должны устанавливаться нормы расхода топлива, тепловой и электрической энергии на производство единицы продукции. Технологические (агрегатные) нормы, как правило, устанавливаются на единицу натуральной продукции. При наличии в цехе нескольких энергоемких однородных агрегатов, выпускающих один и тот же вид продукции, но различных марок и сортов (различной энергоемкости), технологические нормы должны устанавливаться для каждого агрегата отдельно. На предприятиях, выпускающих разнородные виды продукции (например, металлургический завод выпускает чугун, сталь, прокат и т. п.), общезаводские удельные нормы должны устанавливаться на каждый вид продукции с отнесением на них общезаводских расходов пропорционально энергоемкости этих видов продукции или доле услуг, получаемых указанными производствами от общих цехов и участков производства завода (водонасосной, компрессорной, кислородной станций и др.). Методы разработки норм расхода ТЭР Основными методами разработки норм расхода топлива, тепловой и электрической энергии являются расчетно-аналитический, опытный и расчетно-статистический методы. Для определения групповых норм расхода топлива, тепловой и электрической энергии применяется в основном расчетно-аналитический и расчетно-статистический методы, а для определения индивидуальных норм - расчетно-аналитический и опытный методы. Расчетно-аналитический метод предусматривает определение норм расхода топлива, тепловой и электрической энергии расчетным путем по статьям расхода на основе прогрессивных показателей использования этих ресурсов в производстве. Индивидуальные нормы расхода определяются на базе теоретических расчетов, экспериментально установленных нормативных характеристик энергопотребляющих агрегатов, установок и оборудования с учетом достигнутых прогрессивных показателей удельного расхода топлива, тепловой и электрической энергии и внедряемых мероприятий по их экономии. Под нормативными характеристиками энергопотребляющего оборудования понимаются зависимости удельного расхода топлива, тепловой и электрической энергии от загрузки (производительности) оборудования и других факторов при нормальных условиях его эксплуатации. Опытный метод разработки норм заключается в определении удельных затрат топлива, тепловой и электрической энергии по данным, полученным в результате испытаний (эксперимента). Он применяется для составления индивидуальных норм, причем оборудование должно быть в технически исправном состоянии, отлаженным, а технологический процесс должен осуществляться в режимах, предусмотренных технологическими регламентами или инструкциями. В тех случаях, когда не представляется возможным использовать для разработки норм расчетно-аналитический и опытный методы, применяется (как исключение) расчетно-статистический метод. Он основан на анализе статистических данных за ряд предшествующих лет о фактических удельных расходах топлива, тепловой и электрической энергии и факторов, влияющих на их изменение. Основными исходными данными для определения норм расхода топлива, тепловой и электрической энергии являются: • первичная техническая и технологическая документация; • технологические регламенты и инструкции, экспериментально проверенные энергобалансы и нормативные характеристики энергетического и технологического оборудования, сырья, паспортные данные оборудования, нормативные показатели (коэффициенты использования мощности, нормативы расхода энергоносителей в производстве, удельные тепловые характеристики для расчета расходов на отопление и вентиляцию, нормативы потерь энергии и другие показатели); • данные об объемах и структуре производства продукции (работы); • данные о плановых и фактических удельных расходах топлива и энергии за прошедшие годы, а также акты проверок использования их в производстве; • данные передового опыта отечественных и зарубежных предприятий, выпускающих аналогичную продукцию, по удельным расходам; • план организационно-технических мероприятий по экономии топлива и энергии. Первичными нормами, которые должны быть технически обоснованы, являются технологические и общезаводские нормы. При этом расход энергоресурсов на энергоемкие процессы, как правило, определяется расчетным путем, а расходы на неэнергоемкие процессы – силовая нагрузка, освещение, вентиляция, вспомогательные механизмы, подсобные нужды, потери в сетях цеха и др. – можно получить путем проведения специальных замеров и анализа отчетно-статистических данных по энергопотреблению. Методика расчета общезаводских удельных норм энергопотребления В общем виде методика расчета общезаводских удельных норм энергопотребления следующая. 1) Если в цехе для энергоемких производственных процессов установлены технологические нормы, то общецеховая норма eуд.ц может быть определена как: где eуд.т – технологическая удельная норма расхода; Пт – плановый выпуск продукции при данном технологическом процессе; Пц – плановый выпуск продукции цеха; Ед.ц – все другие расходы энергоносителей в цехе, не включенные в технологические нормы (на механическую обработку, подъемно-транспортное оборудование, вентиляцию, освещение, потери). Если в цехе несколько i-ых технологических норм, то общецеховая норма примет вид: где n – число технологических потоков с различными удельными нормами. 2) Если на предприятии для всех цехов и участков производства установлены общецеховые нормы, то общезаводская норма может быть определена как: где eуд.цi – общецеховая удельная норма i-го цеха; Пцi – плановый выпуск продукции i-м цехом; Ед.з – другие, общезаводские, расходы энергоресурсов; Пз – плановый выпуск завода за месяц, квартал или год. При расчете норм расхода учитываются (а при опытном методе обеспечиваются) следующие производственные условия работы оборудования: • оборудование находится в технически исправном состоянии; • работа ведется в соответствии с заданным технологическим режимом; • должна быть полная (номинальная) загрузка энергетического и технологического оборудования по мощности и производительности. Удельные нормы расхода энергоносителей должны присутствовать в паспортах всего энергопотребляющего оборудования. При их отсутствии удельные нормы необходимо определять на основании нормализованных балансов энергопотребляющих установок и технологических процессов: где Eпi – суммарный расход энергоносителя по нормализованному балансу; Пi – выпуск продукции за интервал построения нормализованного баланса. 4.2. Энергетические балансы Энергетический баланс представляет собой частное выражение закона сохранения энергии и представляет собой равенство между суммарной подведенной энергией и суммарными полезной энергией и потерями энергии. Полезная энергия – это количество энергии, теоретически необходимое для проведения энергетических процессов или получаемое на стадиях переработки, преобразования, транспорта или хранения энергетических ресурсов. Потери энергии – это разность подведенной и полезной энергии Энергетические балансы составляются для потребителей ТЭР с целью определения потребности в энергетических ресурсах проектируемых объектов, анализа и оценки эффективности использования энергетических ресурсов в стране, в отдельном регионе, в отрасли народного хозяйства, предприятием, технологической установкой и другими объектами, потребляющими ТЭР. Энергетические балансы, которые составляются по суммарному потреблению всех видов энергоресурсов, называются сводными. Сводные энергетические балансы отражают равенство приходной и расходной части всех видов энергетических ресурсов. Балансы составляются по территориальному или производственно-отраслевому признаку. Частные энергетические балансы составляются по одному из видов энергоресурсов. По содержанию выделяют синтетический и аналитический балансы. Синтетический энергетический баланс отражает общее потребление и распределение ТЭР по направлениям использования. При составлении аналитического баланса помимо этого, оценивается эффективность энергоиспользования путем выделения производительных затрат ТЭР, обоснованных (нормативных) и непроизводительных потерь ТЭР. Аналитические энергетические балансы подразделяются на: • аналитический проектный, который отражает потребление энергоресурсов при условии устранения необоснованных (непроизводительных) потерь и неизменных потерях, заложенных в проекте; • аналитический проектный приведенный, который составляется по всем видам потребляемым энергоносителям в условном топливе; • аналитический проектный рационализированный, составляемый с учетом отдельных энергосберегающих мероприятий, не изменяющих технологии производственного процесса; • аналитический проектный оптимальный, составляемый с учетом энергосбережения при применении новых технологий. В общем случае уравнение энергетического баланса промышленного предприятия (отдельного объекта промышленного предприятия) может быть представлено уравнением вида: где Qi – энергия энергетического ресурса i-го вида, подведенная к объекту (т у.т.); Qiпол – полезное потребление энергии ресурса i-го вида (т у.т.); Qiпот – потери энергии энергетического ресурса i-го вида (т у.т.); Qiпр – произведенный энергетический ресурс (включая вторичные ТЭР) j-го вида (т у.т.). 4.3. Оценка эффективности использования ТЭР На рис. 4.1 приведен процесс энергоиспользования от стадии производства энергии до стадии её конечного потребления и утилизации. Рисунок 4.1 – Иллюстрация процесса энергоиспользования Произведение коэффициента полезного действия (КПД) по всем цепочкам преобразования энергии от первичных источников до ее утилизации потребителями дает коэффициент полезного использования (КПИ) энергии, равный также отношению конечной энергии к первичной. По последним из выполнявшихся в стране расчетов в середине 80-х годов КПИ энергетического хозяйства СССР составлял 35-40%. Если определить коэффициент извлечения энергии как отношение извлеченных первичных энергоресурсов к их содержанию в природной среде в местах разработки (от 20 до 40%), то общий коэффициент использования природных энергетических ресурсов находится в диапазоне от 10 до 15%. Это показывает, что антропогенная энергетика и в настоящее время расходует энергетические ресурсы планеты с эффективностью костра первобытного человека. Энергетическая эффективность (ГОСТ Р 53905-2010) – характеристики, отражающие отношение полезного эффекта от использования ТЭР к затратам ТЭР, произведенным в целях получения такого эффекта, применительно к продукции, технологическому процессу, юридическому лицу, индивидуальному предпринимателю. В некоторых случаях для оценки энергоэффективности используется обратный показатель (энергоемкость или удельный расход ТЭР). В соответствии с вышеприведённым определением рассмотрим подход к определению энергоэффективности технологического процесса (рис. 4.2). Рисунок 4.2 – Иллюстрация технологического процесса в энерготехнологическом представлении в соответствии с графической нотацией IDEF0 Потенциал экономии энергии (энергосбережения) при реализации технологического процесса: Условия максимального использования потенциала энергосбережения: • отсутствие организационных потерь и отклонений; • применение наиболее совершенных из имеющихся технических систем; • эксплуатация технических систем в режиме максимального КПД. Удельный расход энергии (показатель энергоэффективности технологического процесса): Приведенный показатель позволяет оценивать эффективность производственно-технологического процесса и анализировать пути улучшения энергоэффективности процесса. 4.4. Оценка эффективности энергосберегающих мероприятий Энергосберегающие мероприятия – мероприятия различного характера, направленные на реализацию потенциала энергосбережения, достижения эффективного использования энергетических ресурсов и улучшения показателей (индикаторов) энергетической эффективности объектов и процессов. Методику оценки экономической эффективности энергосберегающих мероприятий (ЭСМ) можно представить в виде следующей последовательности: • определение целей и задач ЭСМ; • описание ЭСМ; • определение показателей эффективности реализации энергосберегающих мероприятий в натуральном выражении (оценка технической целесообразности реализации ЭСМ); • определение размера капитальных вложений и годовых эксплуатационных издержек; • определение показателей эффективности реализации энергосберегающих мероприятий в денежном выражении; • расчет показателей экономической эффективности ЭСМ; • вывод о целесообразности реализации ЭСМ по итогам проведенной технико-экономической оценке. Оценка экономической эффективности энергосберегающего мероприятия (ЭСМ) основывается на сопоставлении при определенных условиях следующих величин во времени: • капитальные вложения в реализацию ЭСМ (К); • текущие затраты, сопутствующие реализации ЭСМ (З); • экономия ТЭР в натуральном выражении (∆W); • экономия ТЭР в денежном выражении (Э); • цены (тарифы) на ТЭР (Ц); • инфляция (рост тарифов на ТЭР); • горизонт планирования (T). В настоящем курсе при оценке экономической эффективности ЭСМ будем применять классический (простой) метод оценки, заключающийся в определении трех показателей: • чистый доход (ЧД); • простой срок окупаемости (PP); • индекс доходности (PI). Чистый доход. Чистым доходом (ЧД; Net Value, NV) называется эффект (сальдо денежного потока) за расчетный период: где Эt – экономический эффект от реализации ЭСМ (сокращения энергопотребления), достигаемый на t-ом шаге; 3t – текущие затраты, осуществляемые на том же шаге; К – капиталовложения; Т — горизонт планирования расчета. Очевидно, что если ЧД>0, то проект следует рекомендовать к внедрению; если ЧД<0, проект следует отклонить; при ЧД=0 проект неприбыльный и неубыточный. Если рассматривать несколько взаимоисключающих проектов, то предпочтение отдают тому проекту, у которого ЧД больше. Срок окупаемости. Метод расчета срока окупаемости инвестиций (payback period) заключается в определении необходимого для возмещения инвестиций периода времени, за который вложенные средства окупятся доходами, полученными от реализации проекта. Эффективным является проект, у которого срок окупаемости меньше периода реализации (PP1, проект эффективен, если ИД<1 – неэффективен. Если рассматривать несколько взаимоисключающих проектов, то предпочтение отдают тому проекту, у которого ИД больше. ИД прост в вычислениях, понятен даже не специалистам, может использоваться для ранжирования альтернативных инвестиционных проектов. Контрольные вопросы 1. Что такое нормирование расхода ТЭР? Перечислите цели нормирования энергоносителей. Что является объектом нормирования энергоносителей на предприятии? 2. Как подразделяются групповые нормы расхода энергоносителей? Какие виды индивидуальные норм энергопотребления существуют? 3. Каким образом осуществляется выбор единиц измерения нормируемых расходов ТЭР и удельных норм энергопотребления? 4. Какие методы разработки норм расхода ТЭР существуют? В чем их сущность? 5. Что такое энергетический баланс? Зачем он нужен? 6. В чем отличие сводного энергетического баланса от частного? 7. В чем отличие синтетического энергетического баланса от аналитического. 8. Как подразделяется аналитический энергетический баланс? 9. Каким уравнением в общем виде описывается энергетический баланс предприятия? 10. Что такое энергетическая эффективность? 11. Как определяется эффективность процесса энергоиспользования (энергоэффективность)? 12. Что такое энергосберегающее мероприятие? Как оценивается его эффективность? Литература 1. Enerdata. Статистический Ежегодник мировой энергетики. URL: https://yearbook.enerdata.ru. 2. АО «Системный оператор ЕЭС России». URL: http://so-ups.ru. 3. Быстрицкий Г.Ф., Гасангаджиев Г.Г., Кожиченков В.С. Общая энергетика (производство тепловой и электрической энергии): учебник для вузов по направлениям «Электротехника, электромеханика и электротехнологии», «Электроэнергетика». 2-е изд., стер. // М.: КноРус, 2015. 408 с. ISBN 978-5-406-04328-8. 4. ГОСТ 31607-2012 «Энергосбережение. Нормативно-методическое обеспечение. Основные положения». 5. ГОСТ Р 53905-2010 «Энергосбережение. Термины и определения». 6. Данилов Н.И., Щелоков Я.М. Основы энергосбережения // Екатеринбург: ГУ СО «Институт Энергосбережения», 2008. 526 с. 7. Доктрина энергетической безопасности Российской Федерации. URL: https://minenergo.gov.ru/node/14766. 8. Жуков В.В. Электрическая часть электростанций с газотурбинными и парогазовыми установками // М.: Издательский дом МЭИ, 2015. 519 с. ISBN 978-5-383-00936-9. 9. Каленская Е.В., Щевьева В.А., Бологова В.В., Щевьева Л.С. Экономика предприятия и оценка экономической эффективности инвестиционных проектов: учебное пособие учебное пособие по курсу «Экономика» по направлению «Электроэнергетика и электротехника» // М.: Издательство МЭИ, 2016. 48 с. ISBN 978-70-46-1746-7. URL: http://elib.mpei.ru/action.php?kt_path_info=ktcore.SecViewPlugin.actions.document&fDocumentId=8496. 10. Министерство энергетики Российской Федерации. URL: https://minenergo.gov.ru. 11. Основы современной энергетики. В 2 т. Т.1. Современная теплоэнергетика // Под общей редакцией чл.-корр. РАН Е.В. Аметистова. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Издательский дом МЭИ, 2008. 472 с.: ил. 12. Основы современной энергетики: в 2 т.: учебник для вузов по направлениям «Теплоэнергетика», «Электроэнергетика», «Энергомашиностроение» / Общ. ред. Е. В. Аметистов. 6-е изд., перераб. и доп. // М. : Издательский дом МЭИ, 2016. ISBN 978-5-383-01042-6. 13. Федеральный закон от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» (с изменениями и дополнениями). URL: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_93978/. 14. Энергетическая стратегия Российской Федерации на период до 2035 года. URL: https://minenergo.gov.ru/node/1026.