Современные энергосберегающие технологии

Филиал государственного образовательного учреждения высшего  профессионального образования МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (технический университет) в городе Смоленске

ГРУППА ПТЭ-1-10 
 
 

  РЕФЕРАТ 

ТЕМА: СОВРЕМЕННЫЕ ЭНЕРГО И ВОДОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ 
 
 
 
 

Руководитель –

Любова Т.С.

Подготовил – Шупта Е.А. 
 
 

Смоленск

2010

      В последнее двадцатилетие энергетика обеспечивала рост благосостояния в  мире примерно в равных долях за счет увеличения производства энергоресурсов и улучшения их использования  и в развитых странах меры по энергосбережению давала 60-65% экономического роста. В результате энергоемкость национального дохода уменьшилась за этот период в мире на 18% и в развитых странах – на 21-27%. Не случайно коренное повышение энергетической эффективности экономики (системных мер по энергосбережению) является центральной задачей Энергетической стратегии России. Энергетическая стратегия предусматривает интенсивную реализацию организационных и технологических мер экономии топлива и энергии, т.е. проведения целенаправленной энергосберегающей политики. Для этого Россия располагает большим потенциалом организационного и технологического энергосбережения. Реализация освоенных в отечественной и мировой практике организационных и технологических мер по экономии энергоресурсов способна к 2020 году уменьшить их расход в стране на 40-48% или на 360-430 млн. т. у. т. в год. Около трети потенциала энергосбережения имеют отрасли ТЭК, другая треть сосредоточена в остальных отраслях промышленности и в строительстве, свыше четверти – в коммунально-бытовом секторе, 6-7% - на транспорте и 3% - в сельском хозяйстве.  

      1. АКТУАЛЬНОСТЬ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ  В РФ НА СОВРЕМЕННОМ ЭТАПЕ

      Энергоресурсосбережение является одной из самых серьезных  задач XXI века. От результатов решения  этой проблемы зависит место нашего общества в ряду развитых в экономическом отношении стран и уровень жизни граждан. Россия не только располагает всеми необходимыми природными ресурсами и интеллектуальным потенциалом для успешного решения своих энергетических проблем, но и объективно является ресурсной базой для европейских и азиатских государств, экспортируя нефть, нефтепродукты и природный газ в объемах, стратегически значимых для стран-импортеров. Однако избыточность топливно-энергетических ресурсов в нашей стране совершенно не должна предусматривать энергорасточительность, т.к только энергоэффективное хозяйствование при открытой рыночной экономике является важнейшим фактором конкурентоспособности российских товаров и услуг. Перед обществом поставлена очень амбициозная задача - добиться удвоения валового внутреннего продукта (ВВП) за 10 лет, но решить эту задачу, не изменив радикально отношение к энергоресурсосбережению, не снизив энергоемкость производства, не удастся.

      Энергосбережение  должно быть отнесено к стратегическим задачам государства, являясь одновременно и основным методом обеспечения энергетической безопасности, и единственным реальным способом сохранения высоких доходов от экспорта углеводородного сырья.

      Требуемые для внутреннего развития энергоресурсы можно получить не только за счет увеличения добычи сырья в труднодоступных районах и строительства новых энергообъектов но и, с меньшими затратами, за счет энергосбережения непосредственно в центрах потребления энергоресурсов - больших и малых поселениях.

      Стратегическая  цель энергосбережения одна и следует  из его определения - это повышение  энергоэффективности во всех отраслях, во всех поселениях и в стране в  целом. И задача - определить, какими мерами и насколько можно осуществить  это повышение.

      Цели энергосбережения совпадают и с другими целями муниципальных образований, таких как улучшение экологической ситуации, повышение экономичности систем энергоснабжения и др.

      Снижение  потребления позволяет обеспечивать подключение новых потребителей при минимальных капитальных затратах на развитие инфраструктуры и снимает проблемы выделения земельных участков под новое строительство объектов генерации, отчуждение санитарно-защитных зон и т.д., что в целом положительно сказывается на градостроительном развитии.

      Решение задач повышения энергоэффективности  на сегодняшнем этапе, когда существует большой резерв малозатратных мероприятий, также совпадает с большинством стратегических целей государства и хозяйствующих субъектов. 

      2. Технологическая  структура энергоснабжающих систем

      Рассмотрим  более подробно технологические  схемы энергоснабжающих систем. На рис. 1-4 представлены наиболее часто  используемые схемы энергоснабжения  в России и Европе. Сравнение этих схем дает красноречивый ответ на вопрос: насколько «оптимальны» эти схемы в России. 

      Рис. 1

      Рис. 2 

      Рис. 3 

      Рис. 4 

      На  рис. 5 показана традиционная для России технологическая схема выработки  и транспортировки электроэнергии, из которой видно, что КПД использованной энергии в данном случае колеблется от 40 до 50 %. При этом необходимо отметить, что в реальных условиях этот КПД еще меньше. Так в технических публикациях отмечалось, что потери в электрических сетях при их перегрузке достигают 20 %, т. е. КПД уже не 95 %, а всего лишь 75 %. 

      Рис. 5

        ЭНЕРГОНОСИТЕЛЬ

        Первый вывод, который напрашивается  при анализе схем энергоснабжения  (далее введем термин «технологическая  структура») – это какой нужно  использовать энергоноситель.

        Для освещения, очевидно, у электроэнергии  пока конкурента нет. А вот  использование электрических плит вместо газовых – это расточительство, ведь их КПД в рамках всей технологической структуры 20-25 %. Только на электрических плитах страна теряет в год сотни миллионов долларов.

        Для газо- и теплоснабжения следует  в первую очередь определить, использование какого носителя энергии наиболее рационально. На сегодня это газ или вода. Один кг природного газа несет ≈33,5 МДж энергии. Один кг воды с учетом 40-градусного перепада температуры между прямой и обратной магистралью несет 168 кДж (нагрев или охлаждение 1 кг воды на 1 °С требует 4,19 кДж теплоты). Чтобы переместить 1 кг воды на расстояние 1000 м (500 м прямая вода, 500 – обратная) требуется затратить энергию равную 9,8 кДж. Для того, чтобы перенести 168 кДж нужно затратить 9,8 кДж, что составляет 7,5 %, и это без каких-либо гидравлических потерь – в идеальном варианте, т. е. КПД такого использования уже уменьшается на 7,5 %.

        Таким образом, чтобы перенести  33,5 МДж требуется 200 кг воды  и соответствующее количество  энергии на ее перемещение. В реальных условиях на транспортировку энергии с помощью воды требуется 15-25 % энергии. При этом газ перемещается по газопроводу за счет энергии компрессорных станций, а вода за счет дополнительной (к отоплению) энергии, необходимой для преодоления гидравлических потерь в трубах, что влечет за собой увеличение стоимости строительства и эксплуатации теплопроводов.

        Большое влияние на затраты  энергии при транспортировке  воды как теплоносителя имеет  протяженность теплопровода и  качество изоляции.

        Что касается газового носителя, то при увеличении давления газа, на что затрат энергии не требуется, и установке регулятора у потребителя расходы на строительство и эксплуатацию можно снизить в несколько раз.

        Теперь рассмотрим подробнее  отдельные составляющие структуры энергоснабжающих систем и их влияние на общую эффективность энергоснабжения.

        МАТЕРИАЛ ТРУБ

        И в системе газоснабжения,  и в системе теплоснабжения (а  также в водоснабжении и канализации)  энергия переносится по трубам. Труба в зависимости от материала, из которого она изготовлена, может иметь разную себестоимость (иногда достаточно высокую), срок службы, долговечность, различаются и затраты на эксплуатацию, в т. ч. на защиту от коррозии, гидравлические потери энергии (для воды, например, соизмеримые с количеством транспортируемой энергии).

        Труба из полимерных материалов  по всем перечисленным статьям  превосходит стальную или чугунную. Прежде всего – отсутствие  и внешней, и внутренней коррозии, а это увеличение срока службы  и уменьшение затрат на эксплуатацию. Большое значение имеет меньшее гидравлическое сопротивление, особенно за счет отсутствия адгезии по мере продолжительности эксплуатации, что нельзя сказать о стальных и чугунных трубах, где в процессе эксплуатации гидравлические потери резко возрастают из-за уменьшения диаметра за счет различных налипаний на внутреннюю стенку трубы.

        Самое эффективное энергоснабжение  – это газ по полиэтиленовой  трубе с давлением максимально  допустимым в городах и населенных  пунктах, т. е. 3 и 6 бар. Стоимость  газопроводов из полиэтиленовых труб с диаметром до 160 мм в несколько раз ниже, чем из стальных и чугунных, при этом не требуется каких-либо мер по защите от коррозии, т. е. соответственных затрат на эксплуатацию.

        Полиэтиленовые трубы могут использоваться  не только отрезками, но и плетью, что дает возможность проводить строительство с чрезвычайно малым объемом сварочных работ. Сварочная техника для полиэтиленовых труб автоматическая, что значительно облегчает работу сварщика.

        Скорость строительства полиэтиленового газопровода для диаметров до 200 мм значительно выше скорости строительства с применением стальных и чугунных труб, а при больших диаметрах примерно одинакова.

        Что касается использования стальных  труб, то они и дальше будут  использоваться при условии разработки и внедрения надежных и эффективных средств защиты от коррозии, а в каких-то областях, например, очень большие диаметры и высокие температуры переносимой среды, стальные трубы имеют преимущество по сравнению с полиэтиленом.

        Совершенно недопустимо, прежде всего, с точки зрения безопасности, а также экономической эффективности, устройство надземных трубных коммуникаций, в т. ч. по стенам зданий, как это широко применяется в системах газораспределения и частично в теплоснабжении.

        При реконструкции изношенных стальных труб без вскрытия, т. е. бестраншейными методами, в мире широко применяются полиэтиленовые трубы. Например, в мировой практике активно используется протяжка полиэтиленовой трубы внутри стальной, особенно в системах газоснабжения, в т. ч. с увеличением давления. В технологии U-лайнер используются профилированные полиэтиленовые трубы. Существуют и другие технологии, в которых без полиэтиленовых труб не обойтись.

        Интересна технология «Феникс»  с использованием синтетического  чулка, которая наиболее эффективна при реконструкции труб больших диаметров.

        Учитывая огромный износ российских  трубных систем упомянутые выше  технологии должны применяться  в нашей стране как можно  шире.

        Несвоевременная реконструкция  изношенных труб, слабое внедрение полиэтиленовых труб в новом строительстве и при реконструкции ведет к гигантским расходам материальных и человеческих ресурсов, ухудшению социальной атмосферы в стране.

        Вывод. 

        Полиэтиленовые трубы при новом  строительстве и реконструкции  изношенных труб (наряду с использованием технологий типа «Феникс») – основа развития трубного распределительного транспорта.

        ПРОТЯЖЕННОСТЬ ТРУБНЫХ  СИСТЕМ

        На рис. 3 хорошо видна громоздкость  системы централизованного отопления.  Протяженность труб в этом  случае на порядок превышает эту протяженность при локальной генерации теплоты (рис. 4). Это не только увеличивает стоимость строительства, но и требует гигантских затрат при эксплуатации. Например, стальные трубы горячего водоснабжения служат не больше 10 лет.

        Такую систему трудно запустить в начале отопительного сезона, опасно раньше определенного времени отключить, т. к. при неожиданном похолодании ее не запустить.

        Система горячего водоснабжения,  где основное – это поддержание  температуры горячей воды на  высоких значениях, определяет температуру прямой и обратной воды в системе теплоснабжения. И если зимой температура в системе теплоснабжения определяется температурой наружного воздуха, то летом из-за необходимости поддерживать высокую температуру горячей воды вся система теплоснабжения работает вхолостую, увеличиваются тепловые потери в теплопроводах, КПД системы снижается, а большая протяженность магистральных теплопроводов еще усугубляет этот процесс.

        Впечатление особенно неэффективной  производит пятитрубная система от центрального теплового пункта (ЦТП) до непосредственного потребителя. Это очень затратная часть системы теплоснабжения, в частности, дорогостоящая постоянная циркуляция горячей воды, не считая циркуляции воды для отопления.

        ЦТП в крупных городах много, только в Москве их тысячи, легко можно представить затраты на их строительство и содержание, к этому нужно прибавить затраты на «пятитрубку».

        Вывод. 

        На протяженность теплопроводов  огромное влияние оказывает схема  теплоснабжения. Централизованное  отопление эту протяженность резко увеличивает. 

        НАДЕЖНОСТЬ И БЕЗОПАСНОСТЬ

        Надежность и безопасность системы  энергоснабжения, особенно для  России с ее суровым климатом, это важнейший вопрос.

        Как появилась «на свет» котельная?  Страшно неудобно к каждому  дому (потребителю) подвозить уголь или мазут. Их нужно запасать, иметь хранилище, что влечет за собой экологические проблемы.

        При массовой газификации оставшиеся  котельные переводились на газ.  Представьте себе аварию в  котельной – весь поселок и  большая часть города лишаются теплоснабжения. Можно закольцевать тепловые сети, но это дополнительные немалые затраты, причем в ряде случаев проблема все равно остается не решенной.

        Газорегуляторный пункт, где давление  газа с высокого или среднего  снижается до низкого, в плане надежности и безопасности вообще не укладывается ни в какие рамки. Известны случаи, когда «проскакивало» большое давление в сети низкого давления, что приводило к пожарам и гибели людей.

        У каждого потребителя должны  быть устройства, контролирующие давление энергоносителя и его расход, которые бы при превышении этих параметров прерывали подачу энергоносителя.

        Например, в европейских странах  на полиэтиленовых седелках (отводы  от уличного газопровода к  потребителю) устанавливаются предохранители, отключающие подачу газа при превышении его расхода в случае нарушения герметичности газопровода (вспомним трагедию в Архангельске).

        Выводы.

      Чем меньше в технологической структуре  элементов, оказывающих влияние  на всю систему энергоснабжения, тем эта технологическая схема надежнее и безопаснее.

      Необходимые и безопасные для потребителя  параметры энергоснабжения должны формироваться или определяться непосредственно у каждого потребителя.

      Сегодня газораспределительная система  страны, как и система теплоснабжения, не являются в должной мере безопасными и надежными.

        ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ СИТУАЦИЯ

        Естественно, что снабжение энергией  потребителя сопровождается влиянием  на экологическую ситуацию. Прежде  всего, это потери энергии и  вредные выбросы (например, окислы  азота) котельных. Сегодня котельные в большинстве регионов страны работают неудовлетворительно, например, без автоматики газ-воздух и т. д. Привести их в порядок – это огромные расходы. Утечки воды в системах тепло- и водоснабжения из-за коррозионных повреждений огромны, что ведет к потери энергии и негативному воздействию на подземное пространство.

        Отсутствие у потребителя приборов  учета энергоресурсов и систем  регулирования их потребления  ведет к нерациональному превышению  потребления с соответствующим  увеличением вредных выбросов котельных.

        Все эти вопросы в значительной  мере решает использование полиэтиленовых  труб и локальных котельных  (крышных, пристроенных или подвальных), не исключая и поквартирное  отопление. При поквартирном отоплении  в квартире (коттедже, обычном доме) устанавливаются всего 2 счетчика – для воды и газа, а на отопительном котле можно установить желаемую температуру в помещении или просто его выключить.

        Вывод. 

        Экологическую ситуацию может  улучшить использование полиэтиленовых  труб и локальных источников теплоты.

        УЧЕТ И РЕГУЛИРОВАНИЕ ОТПУСКА  ТЕПЛОТЫ

      Учет  и регулирование отпуска энергоресурсов – это проблема, которая никак  не решается в нашей стране. И  это не только варварское использование  энергоресурсов, это и большие  затраты на трубный транспорт.

        Россия с ее холодным климатом, а значит и высокими потребностями  в энергоресурсах (вопреки даже  некоторым европейским тенденциям, где затраты энергии достаточно  малы из-за климата и можно  оплачивать среднее ее количество) должна решить проблему учета и регулирования отпуска энергоресурсов.

        Москва потребляет 10 % энергоресурсов  страны. В городе строятся дома  с элитными квартирами, где 5 и  более комнат, с мансардами и  прочими сооружениями на последних  этажах. При однотрубной системе  отопления здания – нашем советском наследии, теплосчетчик придется ставить на каждый радиатор отопления (5 и более счетчиков) и 2-3 счетчика (по количеству санузлов) на горячую воду. Это абсурд! А значит жильцы большой комфортабельной «капиталистической» квартиры будут платить за теплоту, холодную и горячую воду значительно меньше, чем платили бы по счетчикам.

        А водоснабжение? У нас одно  из самых высоких в мире  потребление воды на человека. Почему? На этот вопрос «ответят»  дырявые трубы и отсутствие  учета потребления воды.

        Инженерные структуры современного  жилого объекта, и не только  жилого, не отвечают требованиям  энергосбережения по рациональному  использованию энергоресурсов. Все  это прямо или косвенно приводит  к дополнительным затратам на  строительство и эксплуатацию энергоснабжающих систем.

        Вывод. 

        Отсутствие учета и систем  управления энергоснабжением у  потребителя в условиях сурового  климата России делает систему  энергоснабжения крайне низкоэффективной, как с точки зрения использования  энергоресурсов, так и по затратам на их транспортировку.

        ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

      Технологическая структура действующих в России энергоснабжающих систем крайне неэффективна экономически и не обеспечивает должных  безопасности и надежности.

      Наиболее  эффективной технологической структурой энергоснабжения должна быть структура с использованием энергоносителя преимущественно в виде газа с оснащением потребителя энергии средствами регулирования и безопасности.

      Трубный транспорт должен базироваться на использовании  труб из полимерных материалов. 

      3. ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ 

      Одним из действенных способов уменьшить  влияние человека на природу является увеличение эффективности использования  энергии - энергосберегающие технологии. В самом деле, современная энергетика, основанная в первую очередь на использовании ископаемых видов топлива (нефть, газ, уголь), оказывает наиболее массивное воздействие на окружающую среду. Начиная от добычи, переработки и транспортировки энергоресурсов и заканчивая их сжиганием для получения тепла и электроэнергии - все это весьма пагубно отражается на экологическом балансе планеты.

      Основная  роль в увеличении эффективности  использования энергии принадлежит  современным энергосберегающим  технологиям. После энергетического  кризиса 70-х годов XX века именно они  стали приоритетными в развитии экономики Западной Европы, а после начала рыночных реформ - и в нашей стране. При этом их внедрение, помимо очевидных экологических плюсов, несет вполне реальные выгоды - уменьшение расходов, связанных с энергетическими затратами.

      Энергосбережение сейчас становится одним из приоритетов политики любой компании, работающей в сфере производства или сервиса. И дело здесь даже не столько в экологических требованиях, сколько во вполне прагматическом экономическом факторе.

      По  данным специалистов, доля энергозатрат в себестоимости продукции в России достигает 30-40%, что значительно выше, чем, например, в западноевропейских странах. Одной из основных причин такого положения являются устаревшие энергорасточительные технологии, оборудование и приборы. Очевидно, что снижение таких издержек и применение энергосберегающих технологий позволяет повысить конкурентоспособность бизнеса.

      В России до 75% всей потребляемой электроэнергии на производствах используется для  приведения в действие всевозможных электроприводов. Как правило, на большинстве отечественных предприятий установлены электродвигатели с большим запасом по мощности в расчете на максимальную производительность оборудования, несмотря на то, что часы пиковой нагрузки составляют всего 15-20% общего времени его работы. В результате электродвигателям с постоянной скоростью вращения требуется значительно (до 60%) больше энергии, чем это необходимо.

      По  данным европейских экспертов, стоимость  электроэнергии, потребляемой ежегодно средним двигателем в промышленности, почти в 5 раз превосходит его собственную стоимость. В связи с этим очевидна необходимость применения энергосберегающих технологий и оптимизации оборудования с использованием электроприводов.

      Комплексно  подойти к решению этой проблемы предлагает, например, японский концерн Omron, специализирующийся на выпуске продукции для автоматизации технологических и производственных процессов.

      В частности, хорошо себя зарекомендовали  частотно-регулируемые электроприводы со встроенными функциями оптимизации энергопотребления. Суть заключается в гибком изменении частоты их вращения в зависимости от реальной нагрузки, что позволяет сэкономить до 30-50% потребляемой электроэнергии. При этом зачастую не требуется замена стандартного электродвигателя, что особенно актуально при модернизации производств.

      Режим энергосбережения особенно актуален для  механизмов, которые часть времени  работают с пониженной нагрузкой, - конвейеры, насосы, вентиляторы и  т.п. Кроме снижения расхода электроэнергии, экономический эффект от применения частотно-регулируемых электроприводов достигается путем увеличения ресурса работы электротехнического и механического оборудования, что становится дополнительным плюсом.

      Такие энергосберегающие электроприводы и средства автоматизации могут быть внедрены на большинстве промышленных предприятий и в сфере ЖКХ: от лифтов и вентиляционных установок до автоматизации предприятий, где нерациональный расход электроэнергии связан с наличием морально и физически устаревшего оборудования. По различным источникам, в европейских странах до 80% запускаемых в эксплуатацию электроприводов уже являются регулируемыми. В нашей стране пока их доля гораздо ниже, а необходимость использования энергосберегающих технологий все более актуальна.

      Существуют  и другие пути рациональнее использовать электроэнергию, причем не только на производстве, но и в быту. Так, уже давно известны "умные" системы освещения, широко внедряемые в странах Западной Европы, США и особенно в Японии. Интерес к ним не удивителен, учитывая, что, в зависимости от назначения помещений, на освещение может расходоваться до 60% общего электропотребления жилых и офисных зданий. По расчетам специалистов российской компании "Светэк", разрабатывающей такие решения в нашей стране, энергосберегающие системы освещения позволяют снизить затраты на освещение до 8-10 раз!

      Энергосберегающий эффект основан на том, что свет включается автоматически, именно когда он нужен. Выключатель имеет оптический датчик и микрофон. Днем, при высоком  уровне освещенности, освещение отключено. При наступлении сумерек происходит активация микрофона. Если в радиусе до 5 м возникает шум (например, шаги или звук открываемой двери), свет автоматически включается и горит, пока человек находится в помещении.

      Разумеется, такие системы освещения были бы не полными без использования энергосберегающих ламп. Их можно разделить на две группы по сферам использования: мощные энергосберегающие лампы больших размеров, предназначенные для освещения офисов, торговых площадок, кафе, и компактные лампы со стандартными цоколями для использования в квартирах. Экономия электроэнергии с применением таких ламп достигает 80%, не говоря уже о том, что по сравнению с обычными лампами их время жизни во много раз больше.

      К числу наиболее "прожорливого" оборудования, используемого в жилых и офисных помещениях, относится практически вся климатическая техника, прежде всего, кондиционеры. Разумеется, борьба за энергоэффективность не могла пройти мимо этой категории бытовых устройств.

      Признанными авторитетами в области снижения энергоёмкости систем вентиляции и кондиционирования являются компании Hoval (Лихтенштейн) и Dantherm (Дания). В своей продукции применяют новейшие технологии и конструкторские разработки, позволяющие уменьшить энергозатраты при сохранении высокой производительности.