Виды потерь энергии

Если мы будем рассматривать промышленные предприятия как систему (рис. 4), то можем установить, что, с одной стороны, имеются затраты энергии, сырья и труда, а с другой стороны – выпуск продукции, выход вторичных энергоресурсов и материалов. На практике можно ограничиться выпуском продукции, а вторичную энергию и материалы можно не использовать, что нередко и наблюдается в реальной жизни. Это первый вид потерь энергии.

Труд Продукция

Вторичные

Энергия энергоресурсы

Вторичные

Сырье материалы

Рециркуляция

Рециркуляция

Рис. 4. Система промышленного производства

Непосредственно в производственном процессе может использоваться различное оборудование для реализации конкретных промышленных процессов (рис. 5), эффективность которого, в зависимости от уровня температуры, изменяется от 10 до 70 %. Это второй вид потерь энергии.

Рис. 5. Тепловые КПД для различных промышленных процессов:

1 – ковка и штамповка;

2 – медеплавильные печи;

3 – плавка латуни;

4 – закалка высокопрочной стали;

5 – печи для нагрева заготовок;

6 – печи для фьюмингования цинка;

7 – печи для сжигания мусора;

8 – цементация;

9 – мартеновские печи, работающие с вдуванием кислорода;

10 – нормализация;

11 – эмалирование стекловидными эмалями;

12 – снятие напряжений;

13 – окисление аммиака;

14 – отжиг;

15 – плавка алюминия;

16 – обжиг цементного клинкера;

17 – мартеновские печи, работающие на воздушном дутье;

18 – выхлоп дизельного двигателя;

19 – нефтехимический синтез;

20 – цинкование;

21 – выхлоп газовых турбин;

22 – термическая обработка на твердый раствор алюминия и магния;

23 – обжиг цементного клинкера (мокрый процесс);

24 – нагрев алюминия под прокатку;

25 – лужение;

26 – сушка стержней;

27 – отпуск;

28 – дисперсное твердение алюминия и магния;

29 – горячая сушка изоляционных лаков;

30 – отвердение пластмасс;

31 – вулканизация резины;

32 – производство химических продуктов;

33 – подогрев воды;

34 – бытовые приборы.

КПД многих технологических процессов можно повысить за счет улучшения использования топлива на каждой стадии производства продукции, применения специальных устройств для производства энергии из вторичных энергоресурсов. Но, не рассматривая здесь экономические, инвестиционные и тому подобные возможности, отметим только, что вид и состояние используемой технологии не всегда способствуют реализации такой возможности.

Поясним это на примере обогрева хорошо изолированного дома. При его обогреве за счет поступления прямой солнечной радиации через обращенные к солнцу окна потери тепла составляют не более 10 %. Если есть такая климатическая и техническая возможность, то, используя солнечную радиацию, поступающую естественным путем или улавливаемую специальными устройствами, можно получить нужное количество тепловой энергии для отопления без значительных потерь в окружающую среду (5–10 %).

При обогреве того же дома за счет использования электроэнергии, выработанной на АЭС, подаваемой по линии электропередач и превращенной в тепловую форму (теплоту сопротивления), потери тепла составляют 86 %.

Составляющие тепловых потерь:

добыча урана – 5 %,

обогащение и перевозка урана – 41 %,

электростанция – 37 %,

передача электроэнергии – 3 %.

Получается, что превращение высококачественной энергии, извлекаемой из ядерного топлива, в тепловую энергию с температурой в несколько тысяч градусов и далее в высококачественную электроэнергию, а затем целевое использование этой энергии для поддержания температуры в доме на уровне 18–20 ^оС является расточительным процессом.

На основе зарубежных данных на рис. 6 показаны соотношения КПД энергии, получаемой из различных источников и используемой для отопления. Согласно этим данным, наилучшим способом отопления, особенно в районах с холодным климатом, будет строительство зданий, абсолютно изолированных от внешней среды. Подобные здания должны быть настолько герметичны, что даже в тех районах, где температура воздуха зимой падает до –40 ^оС, отопление всех его помещений можно производить за счет прямого поступления солнечной энергии (около 59 %), электроприборами (33 %) и излучения тепла находящимися внутри этого здания людьми (8 %).

Из приведенных данных следует также, что использование прямой солнечной энергии – это один из наиболее эффективных и дешевых способов обогрева помещений жилищ, который применяется человеком в той и ли иной форме на протяжении тысячелетий.

Рис. 6. Практические КПД при различных способах отопления

закрытых помещений (домов)

1– абсолютно герметичный дом;

2 – прямое солнечное излучение;

3 – прямое солнечное излучение в дополнении с высокоэффективным газовым теплоснабжением;

4 – высокоэффективное газовое теплоснабжение;

5 – отопление за счет электрического сопротивления (электроэнергия вырабатывается на ГЭС);

6 – обычное газовое теплоснабжение;

7 – прямое солнечное излучение в дополнении с высокоэффективной дровяной печью;

8 – нефтяное отопление;

9 – электрический тепловой насос (электроэнергия вырабатывается на угольной электростанции);

10 – высокоэффективная дровяная печь;

11 – активная солнечная энергия;

12 – электрический тепловой насос (электроэнергия вырабатывается на АЭС);

13 – обычная дровяная печь;

14 – теплоснабжение за счет электрического сопротивления (электроэнергия вырабатывается на угольной электростанции);

15 – теплоснабжение за счет электрического сопротивления (электроэнергия вырабатывается на АЭС).

Еще один, относительно новый, высокоэффективный способ отопления – за счет сжигания природного газа (контактные водонагреватели, специальные горелки и т.п.). Интересно также мнение западных специалистов по использованию тепловых насосов – агрегатов, способных утилизировать сбросную низкопотенциальную теплоту с температурой от 30 ^оС, принцип работы которых аналогичен обычному бытовому холодильнику, но при этом тепловой насос должен отдавать как можно больше тепловой энергии, например, системе отопления.

Из этих данных можно сделать вывод – нецелесообразно использовать высококачественную энергию для выполнения тех задач, которые можно выполнить с помощью низкокачественной энергии. Попробуем сформулировать «золотое» правило энергетики: качество выбираемого типа энергии должно соответствовать поставленным задачам, или иными словами, чем больше количество ступеней в процессе преобразования энергии, тем ниже его практический КПД.

Отсюда вытекает несколько следствий:

· концентрирование производства высококачественной энергии на крупных источниках понижает его практический КПД;

· чем выше мощность источника энергии, тем выше его энтропийный потенциал;

· централизация энергообеспечения (централизованные системы теплоснабжения, единая энергетическая система и т.д.), несмотря на все его преимущества, способствуют росту беспорядка в окружающей среде.

Еще одна особенность нашего современного общества – масштабное и повсеместное использование устройств с громадными потерями энергии, большим количеством отходов тепла и вещества, поступающих в окружающую среду:

· лампы накаливания (КПД 5 %, соответственно, потери энергии 95 %);

· машина или трактор с двигателем внутреннего сгорания (КПД 10% от энергии, заключенной в горючем);

· высокотемпературная ковка металла в кузнице (КПД 12 %);

· строительство плохо изолированных домов, где тепло может удерживаться не более нескольких минут;

· сооружение сотен тысяч паровых котельных, которые могли бы при незначительных дополнительных инвестициях быть мини–ТЭС с комбинированной выработкой тепловой и электрической энергии (метод когенерации). В этом случае не потребовалось бы строительство в России около 100 крупных ТЭС, ТЭЦ, АЭС, снизилась бы стоимость электроэнергии.

Современные государства с развитой промышленностью представляют собой генераторы энтропии, «работа» которых не только снижает, но и способствует нарушению устойчивости окружающего мира. По мере роста объемов и географии промышленного производства способность окружающей среды рассеивать и разрушать выброшенные вещества и поглощать низкотемпературное тепло будет нарушена на всех уровнях: локальном, местном и глобальном.

Чем настойчивее человечество будет пытаться покорить природу, тем быстрее, согласно второму закону термодинамики, в окружающей среде накапливается низкокачественное тепло и отходы и, уже в соответствии с законами сохранения вещества и энергии, тем раньше мы достигнем пределов своего роста, конкретные параметры которых определяются возможностями природы воспроизводить изъятые у нее биологические ресурсы.

Чтобы этого не произошло, количественное увеличение энергетического бюджета каждого человека должно обеспечиваться все меньшими удельными затратами энергии.

Для этого необходимы следующие действия:

· уменьшение затрат энергии на единицу валового внутреннего продукта;

· экономное использование тепла для промышленных нужд и отопления;

· исключение применения без особой необходимости высококачественных видов энергии;

· переход к производству продукции более удобной для повторного использования и ремонта;

· вовлечение в оборот возобновляемых источников энергии и др.

Причем история развития современного общества показывает, что экономически более выгодным является введение ограничений на потери энергии и ресурсов и предотвращение нежелательных воздействий на природную среду, чем исправление последствий случившегося.

Отсюда следует, что энергетическую эффективность можно рассматривать как ресурс. За счет уменьшения количества используемой энергии сокращаются необходимые для новых энергоисточников инвестиции, закрываются убыточные и опасные предприятия. И если объемы экспорта первичной энергии из России будут в основном ограничиваться величинами сэкономленного за счет энергосбережения топлива, то наши потомки вряд ли будут к нам в претензии за расточительное отношение к имеющимся запасам органического топлива.

Энергосбережение – есть объективная необходимость. Это – первый этап перехода к природосберегающему обществу. Основой такого общества будет повышение эффективности использования энергии, переход на возобновляемые ее источники, сокращение ненужных затрат и потерь энергии, рециркуляция и вторичное использование ресурсов вещества, а также сокращение производства отходов и необязательного потребления ресурсов вещества.

Главным условием перехода на энергосберегающий путь развития является понимание каждым из нас необходимости ответственного отношения к доставшимся нам огромным, но далеко не бесконечным богатствам в виде природных ресурсов.

Дата добавления: 2015-06-27