МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Некоммерческое акционерное общество

Алматинский университет энергетики и связи

Цыба Ю.А.

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ

Учебное пособие

Алматы 2011

УДК 620. 9(075.8)

ББК 31.280.7я73

Ц 93 Энергосбережение в электроэнергетике:

Учебное пособие / Цыба Ю.А;

АУЭС. Алматы, 2011 – 93с.

ISBN 978-601-7307-10-3

Рассмотрены вопросы организации эффективного энергопотребления на объектах, энергосбережение в технологических процессах производства. Приведены данные по использованию возобновляемых источников энергии в природных условиях РК, а также вопросы использования альтернативных источников электрической энергии. Определены приоритетные направления энергосбережения в РК с учетом опыта промышленно развитых стран в политике энергосбережения.

Рекомендуется для обучающихся в бакалавриате и магистратуре по специальности 5В071800 и 6МО71800 - «Электроэнергетика», а также может быть полезно в дальнейшей производственной деятельности специалистов, занимающихся вопросами энергосбережения.

Ил. 27, табл. 14, библиогр. – 17 назв.

ББК 31.280.7я73

РЕЦЕНЗЕНТ: Каз.НТУ, канд. тех. наук, доцент К.Т. Тергемес.

АУЭС, д-р тех. наук, проф. П.И. Сагитов.

Печатается по плану издания Министерства образования и науки Республики Казахстан на 2011г.

ISBN 978-601-7307-10-3

Содержание

Введение	5
1 Энергия, основные понятия и определения энергосбережения	6
1.1 Понятие энергии. Основные виды энергии	6
1.2 Энергия в природе, обществе и на производстве	8
1.3 Закон сохранения энергии	11
1.4 Рост энергопотребления как объективная предпосылка энергосбережения	12
1.5 Энергетические ресурсы современного производства	14
1.6 Основные показатели эффективности использования энергии и энергосбережения	17
2 Энергосбережение в системах электроснабжения и электропотребления	20
2.1 Анализ режимов работы трансформаторных подстанций и системы регулирования cosφ	20
2.2 Обследование электропотребляющего оборудования, проверка соответствия мощности электродвигателей и мощности потребителя	25
2.3 Потери в электрических сетях предприятия	28
2.4 Электробаланс и оценка режимов электропотребления	29
3 Энергопотребление в промышленности Республики Казахстан	30
3.1 Состояние электроэнергетического комплекса	30
3.2 Структура энергопотребления объектами производства	34
3.3 Организация экономичного энергопотребления на объектах	38
4 Альтернативные источники энергии из углеводородных ресурсов и перспективы использования водорода	43
4.1 Синтетическое топливо из угля и битуминозных пород	43
4.2 Спиртовые топлива	47
4.3 Водородная энергетика	50
4.4 Персперктивы перехода на альтернативные виды топлива из углеводородых ресурсов в Казахстане	52
5 Нетрадиционные источники энергии в электроэнергетике	56
5.1 Классификация нетрадиционных источников энергии	56
5.2 Значение возобновляемых источников энергии в электроэнергетике	57
5.3 Термодинамические Солнечные электрические станции	59
5.4 Солнечные фотоэлектрические станции	65
5.5 Ветроэнергетические установки и станции	67
5.6 Гибридные системы электроснабжения	69
5.7 Микро и мини гидроэлектростанции	70
5.8 Геотермальные и петротермальные системы	71
5.9 Использование энергии морских приливов и волн	73
5.10 Вторичные энергоресурсы, источники поступления и возможность их использования в электроэнергетике	74
6 Перспективы и особенности использования нетрадиционных источников энергии в Казахстане	76
6.1 Современное состояние и особенности применения нетрадиционных источников энергии в Республике	76
6.2 Перспективы ветроэнергетики	78
6.3 Перспективы развития гелиоэнергетики	83
6.4 Использование гидроэнергетического потенциала малых рек	86
7 Мировой опыт энергосбережения	88
Список литературы	92

Введение

Энергосбережение - это экономия топливно-энергетических ресурсов и связанных с ними затрат энергии при производстве продукции и услуг, получаемая при соблюдении технологических параметров, обеспечивающих их высокое качество, отвечающее требованиям нормативов и стандартов. Решается правовыми, организационными, научными, производственными, техническими и экономическими методами, направленными на эффективное использование топливно-энергетических ресурсов и вовлечение в хозяйственный оборот возобновляемых источников энергии.

Одной из глобальных проблем, возникших на заре двадцать первого века, является зависимость человека от источников энергии. Основной метод его получения – это использование природных источников – нефти, газа, радиоактивных элементов. Эти источники энергии являются, во-первых, невосполнимыми, во-вторых, создают предпосылки к экологическим катастрофам. В связи, с чем возникает необходимость развития экологически чистых нетрадиционных возобновляемых источников энергии.

Около половины энергии, расходуемой в настоящее время, теряется при потреблении. Недавняя, быстрая эскалация цен на топливо, нестабильность поставок и предполагаемые ограничения в будущем заставили сконцентрировать внимание на необходимости полного пересмотра отношения к потреблению топлива и энергии с особым акцентом на энергосбережение. Энергосбережение в том значении, как оно применяется, означает сокращение потерь и повышение коэффициента использования энергии. Энергосбережение позволит растянуть на более продолжительное время ограниченные запасы высококачественных видов топлива и зарезервировать часть запасов ископаемого топлива для неэнергетических нужд: производства лекарств, смазочных и других материалов.

По предварительным оценкам, потенциал энергосбережения в Республике Казахстан сопоставим с существующим и прогнозным дефицитом энергоресурсов. При этом надо учитывать, что по оценкам мирового опыта, одна денежная единица, вложенная в энергосбережение, соответствует по эффективности - пяти, вложенным в добычу энергоресурсов и выработку энергии [1,2,3].

Поэтому подготовка специалистов, имеющих знания в области энергосбережения, – одна из важнейших составляющих проблемы эффективного использования энергетических ресурсов в конкретных отраслях промышленности, в том числе и в электроэнергетике с учетом мирового опыта и государственной политики РК в области энергосбережения.

В пособии рассмотрена роль энергии в жизни общества, даны основные знания по источникам получения энергии, вопросам ее производства как традиционными, так и нетрадиционными способами, рассмотрены приоритетные направления энергосбережения в РК с учетом опыта промышленно развитых стран в политике энергосбережения.

1 Энергия, основные понятия и определения энергосбережения

1.1 Понятие энергии. Основные виды энергии

Прежде чем говорить об основных мероприятиях, обеспечивающих энергосбережение, т.е. выяснить, как можно сберечь энергию, необходимо четко определить, что представляет собой понятие "энергия"?

Энергия (греч. – действие, деятельность) — общая количественная мера различных форм движения материи.

Из данного определения вытекает:

- энергия – это нечто, что проявляется лишь при изменении состояния (положения) различных объектов окружающего нас мира;

- энергия – это нечто, способное переходить из одной формы в другую (см. рисунок 1.1);

- энергия характеризуется способностью производить полезную для человека работу;

- энергия – это нечто, что можно объективно определить,
количественно измерить.

Рисунок 1.1 - Схема превращения энергии из одного вида в другой

Энергию в естествознании в зависимости от природы делят на следующие виды.

Механическая энергия – проявляется при взаимодействии, движении отдельных тел или частиц.

К ней относят энергию движения или вращения тела, энергию деформации при сгибании, растяжении, закручивании, сжатии упругих тел (пружин). Эта энергия наиболее широко используется в различных машинах транспортных и технологических.

Тепловая энергия – энергия неупорядоченного (хаотического) движения и взаимодействия молекул веществ.

Тепловая энергия, получаемая чаще всего при сжигании различных видов топлива, широко применяется для отопления, проведения многочисленных технологических процессов (нагревания, плавления, сушки, выпаривания, перегонки и т.д.).

Для сопоставления различных видов топлива и суммарного учета его запасов (см. таблицу 1.1) принята единица учета – условное топливо, теплота сгорания которого принята за 29,3 МДж/кг (7000 ккал/кг).

Электрическая энергия – энергия движущихся по электрической цепи электронов (электрического тока).

Электрическая энергия применяется для получения механической энергии с помощью электродвигателей и осуществления механических процессов обработки материалов: дробления, измельчения, перемешивания; для проведения электрохимических реакций; получения тепловой энергии в электронагревательных устройствах и печах; для непосредственной обработки материалов (электроэрозионная обработка).

Таблица 1.1 - Теплотехнические характеристики нефти и нефтепродуктов

Топливо	Низшая теплота сгорания, МДж/кг	Жаропроизводительность, t_max,°С
Нефть	41,857	2100
Бензин	43,95	2110
Керосин	43,11	2120
Дизельное топливо	41,857	2120
Мазут	41,02	2130
Нефтяные смолы	37,67	2100
Асфальтены	35,58	2100

Химическая энергия – это энергия, "запасенная" в атомах веществ, которая высвобождается или поглощается при химических реакциях между веществами.

Химическая энергия либо выделяется в виде тепловой при проведении экзотермических реакций (например, горении топлива), либо преобразуется в электрическую в гальванических элементах и аккумуляторах. Эти источники энергии характеризуются высоким КПД (до 98 %), но низкой емкостью.

Магнитная энергия – энергия постоянных магнитов, обладающих большим запасом энергии, но "отдающих" ее весьма неохотно. Однако электрический ток создает вокруг себя протяженные, сильные магнитные поля, поэтому чаще всего говорят об электромагнитной энергии.

Электрическая и магнитная энергии тесно взаимосвязаны друг с другом, каждую из них можно рассматривать как "оборотную" сторону другой.

Электромагнитная энергия – это энергия электромагнитных волн, т.е. движущихся электрического и магнитного полей. Она включает видимый свет, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи и радиоволны.

Таким образом, электромагнитная энергия — это энергия излучения. Излучение переносит энергию в форме энергии электромагнитной волны. Когда излучение поглощается, его энергия преобразуется в другие формы, чаще всего в теплоту.

Ядерная энергия – энергия, локализованная в ядрах атомов радиоактивных веществ. Она высвобождается при делении тяжелых ядер (ядерная реакция) или синтезе легких ядер (термоядерная реакция).

Бытует и старое название данного вида энергии – атомная энергия, однако это название неточно отображает сущность явлений, приводящих к высвобождению колоссальных количеств энергии, чаще всего в виде тепловой и механической.

Гравитационная энергия – энергия, обусловленная взаимодействием (тяготением) массивных тел, она особенно ощутима в космическом пространстве. В земных условиях, это, например, энергия, "запасенная" телом, поднятым на определенную высоту над поверхностью Земли – энергия силы тяжести.

Таким образом, в зависимости от уровня проявления, можно выделить энергию макромира – гравитационную, энергию взаимодействия тел – механическую, энергию молекулярных взаимодействий – тепловую, энергию атомных взаимодействий – химическую, энергию излучения – электромагнитную, энергию, заключенную в ядрах атомов – ядерную.

Современная наука не исключает существование и других видов энергии, пока не зафиксированных, но не нарушающих единую естественнонаучную картину мира и понятие об энергии.

По большому счету понятие энергии, идея о ней искусственны и созданы специально для того, чтобы быть результатом наших размышлений об окружающем мире. В отличие от материи, о которой мы можем сказать, что она существует, энергия – это плод мысли человека, его "изобретение", построенное так, чтобы была возможность описать различные изменения в окружающем мире и в то же время говорить о постоянстве, сохранении чего-то, что было названо энергией, даже если наше представление об энергии будет меняться из года в год.

Единицей измерения энергии является 1 Дж (Джоуль). В то же время для измерения количества теплоты используют "старую" единицу – 1 кал (калория) = 4,18 Дж, для измерения механической энергии используют величину 1 кгм = 9,8 Дж, электрической энергии – 1 кВт-ч = 3,6 МДж, при этом 1 Дж = 1 ВтС.

В литературе тепловую, химическую и ядерную энергии иногда объединяют понятием внутренней энергии, т.е. заключенной внутри вещества.

1.2 Энергия в природе, обществе и на производстве

Окружающий нас мир обладает поистине неиссякаемым источником различных видов энергии. Некоторые из них человечество научилось использовать уже с давних времен (энергия движения воды в реках, энергия ветра, энергия, заключенная в топливе), некоторые еще в полной мере не используются: энергия Солнца, энергия взаимодействия Земли и Луны, энергия термоядерного синтеза, энергия тепла Земли.

Но надо отметить, что основным энергетическим источником жизни на Земле является Солнце (см. рисунок 1.2).

Под действием солнечных лучей хлорофилл растений разлагает углекислоту, поглощаемую из воздуха, на кислород и углерод. Последний накапливается в растениях. Уголь, газ, торф и т.д. – это запасы лучистой энергии Солнца. Энергия воды, ветра - также, в конечном счете, результаты солнечной активности: ветры возникают при неодинаковом нагревании Земли Солнцем, а вода, отдающая потенциальную энергию при падении, получает ее при испарении озер и океанов под действием солнечного света и ветра.

Рисунок 1.2 - Дерево энергетических ресурсов

Растительная и животная жизнь образует цикл, который начинается с солнечного света, воды и углекислого газа и заканчивается водой, углекислым газом, теплом и механической энергией животных и человека. Все машины, работающие на нефтепродуктах, угле, ветре, движущейся воде, все животные и человек, потребляющие пищу, в конечном счете, получают свое "топливо" от Солнца.

К сожалению, большинство энергии, потребляемой человеком, превращается в бесполезное тепло из-за низкой эффективности использования имеющихся энергетических ресурсов.

Ориентировочное распределение потребляемой энергии за год в мире приведено в таблице 1.2. Величина энергии дается в количестве угля в мегатоннах (Мт), который при сгорании дал бы ту же энергию, при этом хотелось бы подчеркнуть приблизительность приведенных данных [4].

Таблица 1.2 - Годовое потребление энергии в мире

Форма энергии	Количество, Мт	Источник
Питание людей и корм рабочего скота	650	Солнечный свет (в настоящем)
Дрова	150	Солнечный свет (в прошлом)
Гидроэлектростанции	100	Движение воды
Уголь, нефть, газ, торф	6600	Солнечный свет (в прошлом)

В то же время на питание людей ежегодно идет около 400 Мт, из которых около 40 Мт превращается в полезный труд на бытовые нужды, расходуется около 800 Мт, на общественное производство 1000 Мт.

Таким образом, из годового потребления, составляющего 7500 Мт, полезно используется 2200 Мт, остальное растрачивается в виде теплоты. Но даже эффективностью 2200/7500 Мт человечество не может похвастаться, так как не учтено падающее на Землю солнечное излучение, составляющее 10 000 000 Мт в год.

Энергия сыграла решающую роль в развитии цивилизации. Потребление энергии и накопление информации имеет примерно одинаковый характер изменения во времени, тесна связь между расходом энергии и объемом выпускаемой продукции. Рост потребления энергии поразительно высок. Но именно этому человек значительную часть своей жизни может посвятить досугу, образованию, созидательной деятельности, добился высокой теперешней продолжительности жизни.

Мы считаем энергию чем-то нужным, способным работать на нас. Снабжение общества энергией необходимо для: обогрева помещений, обеспечения передвижения, выпуска необходимых нам товаров, поддержания работоспособности различных машин, механизмов, приборов, приготовления пищи, освещения, поддержания жизнедеятельности и т.д.

Эти примеры применения энергии можно разделить на три большие группы:

а) энергия питания. Она дороже других видов энергии:
пшеница в перерасчете на Джоули гораздо дороже, чем уголь.
Питание дает тепло для поддержания температуры тела, энергию для его движения, для осуществления умственного и физического труда;

б) энергия в виде тепла для обогрева домов и приготовления пищи. Она дает возможность жить в различных климатических условиях и разнообразить пищевой рацион человека;

в) энергия для обеспечения функционирования общественного производства. Это энергия для производства товаров и услуг, физического перемещения людей и грузов в пространстве, для поддержания работоспособности всех систем коммуникаций. Затраты этой энергии на душу населения значительно выше, чем затраты энергии на питание.

Энергия, которая содержится в природных источниках и может быть преобразована в электрическую, тепловую, механическую, химическую, названа первичной (см. рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 - Классификация первичной энергии

К традиционным видам первичной энергии относят: органическое топливо (уголь, нефть и т.д.), гидроэнергию рек и ядерное топливо (уран, торий и др.).

Энергия, полученная после преобразования первичной на специальных установках, называется вторичной.

1.3 Закон сохранения энергии

При любых обсуждениях вопросов, связанных с использованием энергии, необходимо отличать энергию упорядоченного движения, известную в технике под названием свободной энергии (механическая, химическая, электрическая, электромагнитная, ядерная) и энергию хаотического движения, т.е. теплоту.

Любая из форм свободной энергии может быть практически полностью использована. В то же время хаотическая энергия тепла при превращении в механическую энергию снова теряется в виде тепла. Мы не в силах полностью упорядочить случайное движение молекул, превратив его энергию в свободную. Более того, в настоящее время практически нет способа непосредственного превращения химической и ядерной энергии в электрическую и механическую, как наиболее используемые. Приходится внутреннюю энергию веществ превращать в тепловую, а затем в механическую или электрическую с большими неизбежными теплопотерями.

Таким образом, все виды энергии после выполнения ими полезной работы превращаются в теплоту с более низкой температурой, которая практически непригодна для дальнейшего использования.

На первый взгляд, из выше отмеченного следует – потери энергии неизбежны, энергия куда-то пропадает или она все же просто переходит в другие формы быть может пока неизвестные?

Развитие естествознания на протяжении жизни человечества неопровержимо доказало, какие бы новые виды энергии ни открывались, вскоре обнаруживалось одно великое правило. Сумма всех видов энергии оставалась постоянной, что, в конечном счете, привело к утверждению: энергия никогда не создается и не уничтожается, она только переходит из одного вида в другой.

В современной науке и практике эта схема настолько полезна, что способна предсказывать появление новых видов энергии.

Если будет обнаружено изменение энергии, которая не входит в список известных в настоящее время видов энергии, если выяснится, что энергия исчезает или появляется из ничего, то будет сначала "придуман", а затем найден новый вид энергии, который учтет это отклонение от постоянства энергии, т.е. закона сохранения энергии.

Закон сохранения энергии нашел подтверждение в различных областях – от механики Ньютона до ядерной физики. Причем закон сохранения энергии – это не только плод воображения или обобщения экспериментов. Вот почему можно полностью согласиться с утверждением одного из крупнейших физиков-теоретиков Пуанкаре:

„Так как мы не в силах дать общего определения энергии, принцип ее сохранения означает, что существует нечто, остающееся постоянным. Поэтому, к каким бы новым представлениям о мире не привели нас будущие эксперименты, мы заранее знаем: в них будет нечто остающееся постоянным, что можно назвать ЭНЕРГИЕЙ”.

Заметим, что, учитывая выше изложенное, терминологически правильно было бы говорить не "энергосбережение", так как "сберечь" энергию невозможно, а "эффективное энергоиспользование".

1.4 Рост энергопотребления как объективная предпосылка энергосбережения

Качество нашей жизни непосредственно зависит от потребления энергии. С ходом исторического развития при получении из природных систем все новых видов полезной продукции на ее единицу в среднем затрачивается все больше энергии (происходит снижение энергетической эффективности природопользования).

Наблюдается увеличение энергетических расходов на одного человека. Так, расход энергии на одного человека (в кДж/сут.) в каменном веке был порядка 17 тыс., в аграрном обществе – 50 тыс., в индустриальную эпоху — 293 тыс., а в передовых развитых странах настоящего времени – 960 – 1050 тыс., т.е. в 58 – 62 раза больше, чем у наших далеких предков.

С начала нашего века количество энергии, затрачиваемое на единицу сельскохозяйственной продукции, в развитых странах мира возросло в 8 – 10 раз, на единицу промышленной продукции в 10 – 12 раз.

Общая энергетическая эффективность сельскохозяйственного производства (соотношение вкладываемой и получаемой с готовой продукцией энергии) в промышленно развитых странах в 30 раз ниже, чем при примитивном земледелии. В ряде случаев увеличение затрат энергии на удобрения и обработку полей в десятки раз приводит лишь к незначительному (на 10 – 15 %) повышению урожайности. Это связано с необходимостью параллельно с улучшением агротехники учитывать общую экологическую обстановку и налагаемые ею ограничения.

В начале 80-х гг. удельные затраты энергии на производство единицы валового национального продукта (ВНП) в ходе решительных мер по экономии энергии в промышленно развитых странах сократились на 15 %. В течение последующего десятилетия ВНП возрос тут на 20 %, а потребление энергии – лишь на 2 % (это стало возможным в результате устранения неоправданных потерь энергии). Однако в то же время в развивающихся странах расход энергии увеличился на 24 % и составил 10 % от общемирового (против 5 % в начале периода), т.е. имел тенденцию к быстрому росту. Несмотря на ожидаемое снижение потребления энергии на одну денежную единицу ВНП в килограммах условного топлива, общее увеличение ВНП и абсолютно необходимое возрастание валового национального дохода в развивающихся странах приводят к дальнейшему росту энергопотребления.

Как указывает Герберт Инхабер (Herbert Inhaber), научный исследователь из штата Южная Каролина (США), автор книги "Почему не удается сократить потребление энергоносителей" (Why Energy Conservation Fails, Quorum Books, 1997): „Энергосбережение посредством повышения эффективности потребления на самом деле приводит к его росту, а не к сокращению. Поскольку для отдельного вида деятельности требуется меньше топлива, высвободившиеся ресурсы используются в других целях. Как результат – возросшая экономическая активность и увеличившийся объем потребления энергоносителей”.

В качестве примера из реальной жизни Инхабер приводит опыт Дании, когда, в конце 1970-х гг. правительство Дании ввело строгие стандарты на эффективность бытовых приборов, потребление электроэнергии этими приборами существенно сократилось (более, чем на 30 %), отчасти потому, что некоторые бытовые приборы стали более экономичными, и, следовательно, их эксплуатация обходилась дешевле, но при этом увеличились продажи других бытовых приборов. Общий результат: совокупное внутреннее потребление электроэнергии в Дании возросло на 20 % [4].

Однако рассматриваемая проблема снижения энергетической эффективности имеет весьма важное практическое следствие: рост энергетических затрат не может продолжаться бесконечно. Значит можно рассчитать вероятный момент неизбежного перехода на новые, энергосберегающие технологии промышленного и сельскохозяйственного производства, избежав тем самым теплового и экологического кризисов.

Для промышленности, быта, нормальной жизнедеятельности человека, а главное для дальнейшего развития мировой цивилизации энергетика необходима как воздух. Для всего мирового сообщества энергетическая проблема стоит очень остро. Дело не ограничивается размером запасов угля, нефти и газа и растущими расходами на их добычу, переработку и использование. С каждым годом обостряются экологические проблемы. Нынешнее время характеризуется пересмотром политики в области энергетики. На страницах газет и журналов ведется полемика о приоритетах ее развития. Важно помнить, что энергетика — система инерционная, и реформы в ней следует готовить загодя. Попробуем на основе имеющегося материала оценить возможные пути развития энергетики и основную стратегию этого развития. Задача эта потребует рассмотрения многих вопросов, ибо нет в современном обществе сферы, которая хотя бы косвенно не была бы связана с энергетикой.

1.5 Энергетические ресурсы современного производства

Энергетическим ресурсом называют любой источник энергии, естественный или искусственно активированный. Энергетические ресурсы – носители энергии, которые используются в настоящее время или могут быть полезно использованы в перспективе. Основу классификации энергоресурсов составляет их деление по источникам получения на первичные, природные (геологические) и вторичные (побочные) [4,5].

1.5.1 Первичные энергетические ресурсы. По способам использования первичные энергетические ресурсы подразделяют на топливные и нетопливные; по признаку сохранения запасов – на возобновляемые и невозобновляемые; ископаемые (в земной коре) и неископаемые. В современном природопользовании энергетические ресурсы классифицируют на три группы - участвующие в постоянном обороте и потоке энергии (солнечная, космическая энергия и т.д.), депонированные энергетические ресурсы (нефть, газ и т.д.) и искусственно активированные источники энергии (атомная и термоядерная энергии).

В связи с этим выделяют добавляющие и недобавляющие энергии в биосферу Земли, по сравнению с естественным притоком энергии к планете. Добавляющие виды имеют существенные термодинамические ограничения, пренебрежение которыми может привести к неблагоприятным изменениям климата, вредному потеплению и т.д. Недобавляющие виды значительно безопаснее (хотя и не устраняется местная концентрация энергии).

В экономике природопользования различают валовой, технический и экономический энергетические ресурсы.

Валовой (теоретический) ресурс представляет суммарную энергию, заключенную в данном виде энергоресурса.

Технический ресурс – это энергия, которая может быть получена из данного вида энергоресурса при существующем развитии науки и техники. Он составляет от доли процента до десятка процентов от валового, но постоянно увеличивается по мере усовершенствования энергетического оборудования и освоения новых технологий.

Экономический ресурс – энергия, получение которой из данного вида ресурса экономически выгодно при существующем соотношении цен на оборудование, материалы и рабочую силу. Он составляет некоторую долю от технического и тоже увеличивается по мере развития энергетики.

Доля различных видов энергетических ресурсов в общемировой выработке первичной энергии на конец 90-х годов представлена на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 - Доля различных видов энергетических ресурсов в общемировой выработке первичной энергии (1998 г.), %

Энергетические ресурсы принято характеризовать числом лет, в течение которых данного ресурса хватит для производства энергии на современном качественном уровне. Из доклада комиссии Мирового энергетического совета (1994 г.) при современном уровне потребления запасов угля хватит на 250 лет, газа – на 60 лет, нефти – на 40 лет. При этом по данным Международного института прикладного системного анализа, мировой спрос на энергоносители вырастет с 9,2 млрд т в пересчете на нефть (конец 1990-х гг.) до 14,2 – 24,8 млрд т в 2050 году [4].

Мировые запасы энергетических ресурсов по состоянию на конец XX века представлены в таблице 1.3.

1.5.2 Вторичные энергоресурсы, источники поступления, пути использования. Любой технологический процесс требует определенного расхода топлива, электрической и тепловой энергии; в результате химических реакций, механических воздействий горючие газы, теплоносители, газы и жидкости с избыточным давлением выделяют тепло. Эти энергетические ресурсы, как правило, используются не в полном объеме или не используются вовсе. Неиспользуемые в данном технологическом процессе или установке энергетические отходы получили название вторичных энергетических ресурсов (ВЭР).

Долгое время использованию вторичных энергоресурсов не уделялось достаточного внимания, не была в полной мере раскрыта их сущность, отсутствовали методики расчетов ВЭР.

Вторичными энергетическими ресурсами является энергетический потенциал продукции, отходов, побочных и промежуточных продуктов, образующихся в технологических агрегатах (установках), которые не могут быть использованы в самом агрегате, но могут частично или полностью использоваться для энергоснабжения других потребителей.

Таблица1.3 - Мировые запасы энергетических ресурсов, млрд т условного топлива

Источники энергии	Энергетические ресурсы
Источники энергии	теоретические	технические
I. Невозобновляемые
1. Энергия горючих ископаемых: уголь нефть газ	17 900 1290 398	637 179 89,6
2. Атомная энергия	67 200	1340
II. Возобновляемые
1. Энергия Солнца: на верхней границе атмосферы на поверхности Земли по поверхности суши на поверхности Мирового океана	197 000 81 700 28 400 53 300	6140 2460 3690
2. Энергия ветра	21 300	22
3. Глубинное тепло Земли (до 10 км): геотермальный тепловой поток, достигающий поверхности Земли гидротермальные ресурсы петрогеотермальные ресурсы	3,69 1350 36 900	0,35 147 3070
4. Энергия Мирового океана: градиента солености тепловая (температурная градиента) течений приливов прибоя морских ветровых волн	43 000 12,3 8,6 3,2 1 2,7	430 0,61 0,12 0,86 0,02 0,1
5. Горючие энергоресурсы (биомасса): на суше в Мировом океане органические отходы	44,2 23,3 2,5	4,9 1,84 1,23
6. Гидроэнергия крупных водопотоков	4,1	1,84

Термин "энергетический потенциал" означает наличие определенного запаса энергии в виде химически связанного тепла, физического тепла, потенциальной энергии избыточного давления и напора, кинетической энергии и др.

Химически связанное тепло продуктов топливоперерабатывающих установок (нефтеперерабатывающих, газогенераторных, коксовальных, углеобогатительных и др.), а также тепловая энергия отходов, которая используется для подогрева потоков, поступающих в агрегат-источник ВЭР (регенерация, рекуперация), не относятся к вторичным энергетическим ресурсам.

Выход вторичных энергетических ресурсов – это количество вторичных энергоресурсов, которые образовались в данной установке за определенную единицу времени и годны к использованию в данный период времени.

Выработкой за счет вторичных энергетических ресурсов называется количество тепла, холода, электроэнергии, полученное за счет ВЭР в утилизационной установке. Выработки за счет ВЭР подразделяются на: возможную выработку, т.е. максимальное количество энергии, которое можно получить при работе установки; экономически целесообразную выработку, т.е. выработку с учетом ряда экономических факторов (себестоимость, затраты труда и т.д.); планируемую выработку – количество энергии, которую предполагается получить в определенный период при вводе вновь или модернизации имеющихся утилизационных установок; фактическую выработку – энергию, реально полученную за отчетный период.

1.6 Основные показатели эффективности использования энергии и энергосбережения

Для оценки эффективности использования энергии в производстве, а также определения эффективности мероприятий по энергосбережению необходимы объективные показатели, которые могли бы отразить реальное использование энергоресурсов и давали бы возможность сопоставить результат оценки с максимальными возможностями обеспечения энергосбережения [4,5].

Поэтому, прежде чем выделить эти показатели, проанализируем процесс превращения первичных энергоресурсов в полезную работу, ради которой эти ресурсы использовались.

В любом потреблении энергии присутствуют полезная составляющая и потери. Под полезно потребленной энергией понимается та часть израсходованного энергоресурса, которая непосредственно направлена на осуществление поставленной цели и удовлетворение потребностей. В силовых процессах — это механическая энергия на валу двигателя, в температурных технологических процессах – теплота, выделившаяся в объеме технологической печи, в сушилке и переданная нагреваемой среде, в осветительных процессах – количество получаемой световой энергии от осветительных приборов и т.д.

Долю полезно потребленной энергии в расходе первичного природного энергоресурса определяет значение коэффициента полезного использования (КПИ), который является наиболее общим показателем эффективности энергоиспользования.

По значению КПИ судят о совершенстве энергоснабжающего процесса в целом, включая его научно-технический уровень, организацию управления и культуру эксплуатации. КПИ можно определить для отдельного энергопотребляющего процесса, отдельного предприятия, города и республики в целом. В последнем случае КПИ является важнейшим показателем эффективности энергоснабжающей системы государства.

В свою очередь КПИ определяется как произведение частных коэффициентов полезного действия (КПД) различных звеньев энергоснабжающего процесса, включая добычу, транспортирование, хранение, переработку и преобразование первичных (природных) энергоресурсов, а также передачу, распределение и использование преобразованных энергоносителей. По соотношению частных КПД судят об энергетической эффективности каждого звена.

Для определения других показателей энергосбережения необходимо провести классификацию энергетических потерь. Они делятся на невозвратные и возвратные. К невозвратным относятся потери, которые невозможно устранить существующими ныне способами и технологиями. С их учетом определяются достигнутые на данном этапе технически предельные уровни КПД отдельных звеньев энергетического процесса и КПИ в целом.

К возвратным относятся потери, которые возможно устранить, осуществляя те или иные затраты на реконструкцию. По их величине судят о технически достижимом потенциале энергосбережения. Реальные же масштабы энергосбережения могут оказываться значительно ниже потенциальных и определяться уровнем экономически оправданных вложенных средств.

Зависимость реализации возвратных потерь от осуществленных затрат является важнейшей экономической характеристикой энергосбережения. Нижний предел их иногда может оказываться близким к нулю. Это так называемые малозатратные мероприятия, чаще всего организационного порядка. Верхний экономический уровень затрат в каждом конкретном случае индивидуален и обусловливается стоимостью замещающего энергоресурса в альтернативном варианте. Экономический предельный уровень затрат на энергосбережение может существенно возрасти, если в цене замещающего энергоресурса учитывать обеспеченность его природными запасами.

Кроме того, при определении показателей энергосбережения необходимо учитывать экономическую закономерность изменения стоимости потерь по звеньям энергетического процесса, а также по их качеству.

В каждом звене, будь то добыча, транспортировка, преобразование и использование энергоресурсов, расходуются труд, материалы, денежные средства. Поэтому стоимость энергии по мере ее движения к потребителю возрастает, соответственно возрастает стоимость потерь.

Аналогично обстоят дела и с энергетическим потенциалом потерь. Более калорийное топливо, более нагретая вода, пар с более высоким давлением и температурой обладают большим энергетическим эффектом и поэтому имеют более высокую цену, что, к сожалению, не учитывается при существующих тарифах на тепло. Наибольшую цену имеет наиболее качественный и прогрессивный теплоноситель — электроэнергия.

Оба названных обстоятельства необходимо учитывать при экономической оптимизации энергосбережения и распределении средств в энергохозяйстве. При этом об эффективности энергосбережения косвенно можно судить по показателю энергоемкости Внутреннего валового продукта.

Кроме энергоемкости внутреннего валового продукта, в сопоставимых ценах рассчитывается также удельная энергоемкость производства отдельных видов продукции и сравнивается с аналогичными показателями энергоемкости производства однотипной продукции на других предприятиях.

Таким образом, показатель энергоэффективности – это научно обоснованная абсолютная или удельная величина потребления топливно-энергетических ресурсов (с учетом их нормативных потерь) на производство единицы продукции (работ, услуг) любого назначения[4].

Рассмотрим, какие основные факторы влияют на абсолютное значение энергоемкости.

Кроме экономического роста и цен на энергоресурсы, на энергоемкость влияет научно-технический прогресс (НТП). Разница между энергопотреблением на основе старых и новых технологий определяет технический потенциал энергосбережения.

Технический потенциал показывает максимальные возможности энергосбережения. Часть технического потенциала, которая может быть прибыльно освоена, составляет экономический потенциал.

Различают также поведенческий потенциал энергосбережения, который определяется мерой осознания актуальности задачи энергосбережения всеми лицами, реализующими ее.

Для оценки энергоэффективности производства необходимо определить причины повышенного расхода энергоресурсов.

Основные причины повышения расхода энергоресурсов можно разделить на 3 группы [4,5]:

1) Организационные и эксплуатационные: низкая культура эксплуатации, недостаточная технологическая дисциплина, отсутствие ряда приборов контроля и учета, средств автоматизации, низкое качество проводимых ремонтов.

2) Сырьевые: низкое качество поступающего на предприятие сырья, основных и вспомогательных материалов и веществ.

3) Производственные и технологические: плохое техническое состояние основного и вспомогательного технологического оборудования, слабое внедрение новых конструкций оборудования, технологических процессов и других достижений НТП, направленных на экономию энергоресурсов.

Одним из критериев эффективности энергосбережения, позволяющим оценить его динамику и тенденции, является показатель энергоэкономического уровня производства (ЭЭУП).

ЭЭУП позволяет оценить уровень реализации энергосберегающих технологий и энергосберегающего оборудования и т.д.

ЭЭУП = D/W, (1.1)

где D – результат хозяйственной деятельности рассматриваемого производства, тыс.тенге;

W – потребление энергоресурсов на технологические цели, т.у.т.

Таким образом, на основе анализа топливно-энергетического баланса, при ориентировании на установленные обобщенные показатели эффективности использования энергоресурсов, при использовании достижений НТП, передового зарубежного и отечественного опыта на предприятии должна быть разработана программа по сокращению потребления топливно-энергетических ресурсов с учетом изменения объемов производства и ассортимента. Затем, исходя из выделенных на эти цели капвложений, программа уточняется и разбивается на этапы. Реализуя мероприятия, имеющие максимальный коэффициент эффективности в пределах выделенных средств, можно добиться максимальной экономии энергоресурсов.

2 Энергосбережение в системах электроснабжения и электропотребления

2.1 Анализ режимов работы трансформаторных подстанций и системы регулирования cosφ

Как правило, на коммунальных и промышленных предприятиях ведется постоянный учет расхода электроэнергии, оборудован ее коммерческий входной учет, на распределительных устройствах для крупных внутренних потребителей установлены электросчетчики. Система электроснабжения проектируется в соответствии с требованиями и нормами ПТЭ и ПТБ, при этом закладываются условия энергетической экономичности и безопасности.

Имеющее место сокращение объемов выпуска продукции привело к тому, что системы электроснабжения зачастую эксплуатируются не в номинальных режимах, электрооборудование недогружено, увеличивая доли потерь в трансформаторах, электродвигателях, что ведет к снижению значения cosφ в системе электроснабжения. Все это отразилось на переоценке экономичности функционирующих схем энергоснабжения.

Задача энергоаудиторов – проанализировать режимы эксплуатации энергооборудования в новых условиях и дать соответствующие рекомендации по его эксплуатации в сложившейся ситуации.

Так как системы электроснабжения эксплуатируются не в номинальном режиме, в связи со значительным снижением объемов производства то увеличилась доля потерь, связанная с недогрузкой трансформаторов. Потери в трансформаторах состоят из постоянной (потери в стали) и нагрузочной (в обмотках, коммутаторах и соединительных шинах) составляющих.

Для упрощенной схемы замещения [6,7] потери реактивной мощности при холостом ходе (ХХ) трансформатора определяются как

, (2.1)

где I_хх – ток холостого хода (XX), % от I_ном;

S_ном – номинальная мощность трансформатора, кВА.

Активное R_Т и реактивное Х_Т сопротивления двухобмоточного трансформатора рассчитываются соответственно по формулам

Ом; (2.2)

Ом, (2.3)

где U_ном – номинальное напряжение основного вывода обмотки трансформатора, кВ;

ΔР_кз – потери короткого замыкания (потери в меди), кВт;

U_к – напряжение короткого замыкания (КЗ), %.

Потери электроэнергии в стали трансформаторов (потери холостого хода) определяются по паспортным данным трансформаторов из выражения

тыс. кВт·ч, (2.4)

где ΔР_ХХ_i – потери мощности холостого хода в i-м трансформаторе, кВт, находящемся на балансе предприятия приводятся в таблице 2.1. Потери мощности холостого хода в расчетах следует принимать равными потерям в стали (ΔР_хх_i = 2,1 - 2,45 кВт – из каталога трансформатора ТМ-1000/10);

Т_i – число часов работы i-го трансформатора в расчетном месяце;

n_Т – число работающих трансформаторов, шт;

U_I_Г – взвешенный по нагрузке уровень напряжения на головном участке (ГУ) распределительной линии, кВ;

U_ном – номинальный уровень напряжения питания i-го

трансформатора, кВ.

Таблица 2.1 - Каталожные и расчетные данные двухобмоточных трансформаторов на входное напряжение 10 кВ

Номинальная мощность т-ра S_ho_м, кВА	Каталожные данные				Расчетные данные
Номинальная мощность т-ра S_ho_м, кВА	ΔР_кз,кВт	ΔР_хх, кВт	U_к, %	I_хх, %	R_т, Ом	Х_т, Ом
10	0,34	0,14	5,5	10	369	605
20	0,60	0,22	5,5	10	165	307
25	0.62	0,12	4,6	3,2	110	202
30	0,85	0,3	5,5	9,0	163	202
40	0,94	0,17	4,6	3,0	64,7	126
50	1,38	0,44	5,5	8,0	58,5	121
60	1,55	0,45	5,5	7,5	47,3	101
63	1,38	0,24	4,6	2,8	38,1	80,4
100	2,12	0,34	4,6	2,6	23,4	50,5
160	2,88	0,5	4,6	2,4	12,4	31,6
180	4,10	0,7	5,5	4,0	13,8	33,6
250	3,95	0,72	4,6	2,3	6,9	20,2
320	6,07	1,13	5,5	4,0	6.6	19
400	5,70	1,0	4,5	2,1	3,9	12,6
560	9,40	2,5	5,5	6,0	3,3	10,8
630	8,05	1,55	5,5	2,0	2,2	9,6
750	11,90	4,10	5,5	6,0	2,32	8,1
1000	11,9	2,28	5,5	1.4	1,3	6,0
1600	17,3	3,05	5,5	1.3	0,74	3,8
1800	24,0	8,0	5,5	4,5	0,8	3,4

Нагрузочные потери электроэнергии в трансформаторах рассчитываются аналогично нагрузочным потерям в линиях электроснабжения

тыс. кВт·ч, (2.5)

где К_ФСУТ – коэффициент формы суточной составляющей графика нагрузки головного участка (ГУ) сети;

К_ФМЕС – коэффициент формы месячной составляющей графика нагрузки
ГУ сети;

W_РТ – активная энергия, пропущенная по головному участку (ГУ) сети
за расчетный год, тыс. кВт·ч;

tg(φГ) – тангенс угла нагрузки сети.

Сетевые и трансформаторные нагрузочные потери пропорциональны квадрату тока, протекающему через них, при постоянном напряжении – квадрату отпуска электроэнергии. Сетевые нагрузочные потери рассчитываются аналогично трансформаторным нагрузочным потерям. Увеличение тангенса угла нагрузки сети приводит к увеличению сетевых потерь, которые пропорциональны (1+tg²φ_г).

Влияние материала трансформатора на его потери приведено в таблице 2.2.

Таблица 2.2 – Влияние материала трансформатора на его потери

Номинальная мощность 3-фазного т-ра, кВА	Потери в сердечнике, Вт		Потери в обмотке, Вт
Номинальная мощность 3-фазного т-ра, кВА	Кремниевая сталь	Аморфная сталь	Кремниевая сталь	Аморфная сталь
300	516	167	1854	1538
750	864	269	4886	5388
1000	1129	374	5983	5626

При обследовании необходимо оценивать степень загрузки трансформаторных подстанций, выключать незагруженные трансформаторы, увеличивая степень их загрузки. Попытка сделать линию разграничения с энергосбытом по обслуживанию на низкой стороне, с уходом от управления загрузкой отключением ненагруженных трансформаторов не снимает проблемы.

Необходимо также оценить эффективность работы компенсационных устройств, проанализировать влияние (см. таблицу 2.3) изменения cosφ на потери в сетях в течение суток, подобрать режимы эксплуатации косинусных батарей (см. рисунок 2.1, см. таблицу 2.4) и при наличии синхронных двигателей, работающих в режиме компенсации реактивной мощности, применять автоматическое управление током возбуждения [6].

Таблица 2.3 - Влияние увеличения cosφ на снижение реактивных потерь

Прежний cosφ	0,5	0,5	0,6	0,6	0,7	0,7	0,8
Новый cosφ	0,8	0,9	0,8	0,9	0,8	0,9	0,9
Снижение тока, %	37,5	44,5	25	33	12,5	22	11
Снижение потерь по сопротивлению, %	61	69	43,5	55,5	23	39,5	21

1 – трансформатор; 2 – электродвигатель; 3 – конденсатор.

Рисунок 2.1 - Схема применения правильной компенсации реактивной мощности электродвигателя

Таблица 2.4 - Рекомендуемая емкость статических конденсаторов для корректировки единичных асинхронных двигателей

Мощность трехфазного электродвигателя на напряжение 380 В, кВт	Статический конденсатор, кВАр, в % мощности двигателя
1-3	50
4-10	45
11-29	40
30	35

Реактивная мощность при синусоидальном напряжении однофазной сети мощностью Р определяется как

, (2.6)

в трехфазной сети – как алгебраическая сумма фазных реактивных мощностей. Уровень компенсируемой мощности Q_к определяется как разность реактивных мощностей нагрузки предприятия до (Q_п1) и после (Q_{п 2}) принятых мер по компенсации реактивной нагрузки

. (2.7)

В первом примере (без использования конденсатора) нагрузка на трансформатор и электрическую сеть увеличивается из-за реактивной мощности (пунктирная стрелка слева). Этого можно избежать, как в примере справа, когда только активная мощность (жирная стрелка) влияет на нагрузку сети.

Основными потребителями реактивной мощности на коммунальных и промышленных предприятиях являются [6]:

- асинхронные двигатели (45–65%);

- электропечные установки (8%);

- вентильные преобразователи (10%);

- трансформаторы всех ступеней трансформации (20–25%).

Приведем перечень мероприятий, позволяющих повысить cosφ:

- Увеличение загрузки асинхронных двигателей. При снижении до 40% мощности, потребляемой асинхронным двигателем, переключать обмотки с треугольника на звезду. Мощность двигателя при этом снижается в 3 раза.

- Применение ограничителей времени работы асинхронных двигателей и сварочных трансформаторов в режиме холостого хода (XX).

- Замена асинхронных двигателей синхронными.

- Нагрузка трансформаторов должна составлять более 30% номинальной мощности.

Для компенсации реактивной мощности используются следующие технические средства:

- Синхронные электродвигатели в режиме перевозбуждения.

- Комплектные конденсаторные батареи.

- Компенсаторы (управляемые реакторы или конденсаторы).

Компенсаторы должны быть приближены к источникам реактивной мощности.

2.2 Обследование электропотребляющего оборудования, проверка соответствия мощности электродвигателей и мощности потребителя

Электродвигатели являются наиболее распространенными электропотребителями на промышленных предприятиях. Они потребляют около 80% электроэнергии. Большая доля установленной мощности приходится на асинхронные электродвигатели [1,3,6,7,8].

При проведении энергоаудита необходимо проверять соответствие мощности привода (электродвигателя) мощности нагрузки, так как завышение мощности электродвигателя приводит к снижению КПД и cosφ. С уменьшением загрузки двигателя возрастает доля потребляемой реактивной мощности на создание магнитного поля системы по сравнению с активной мощностью и снижается величина cosф. Капитальные затраты на замену одного двигателя другим (соответствующей номинальной мощности) целесообразны при его загрузке менее 45%, при загрузке 45–75% для замены требуется проводить экономическую оценку мероприятия, при загрузке более 70% замена нецелесообразна.

Эффективность работы двигателя зависит от типа, скорости вращения, времени нагрузки двигателя, а также от его мощности:

- для двигателей мощностью 5 кВт при 100%-ной нагрузке КПД
равен 80%, для двигателей мощностью 150 кВт КПД – 90%;

- для двигателей мощностью 5 кВт при 50%-ной нагрузке КПД
равен 55%, для двигателей мощностью 150 кВт КПД – 65%.

При снижении нагрузки двигателя до 50% и менее его эффективность начинает быстро падать вследствие того, что потери энергии в железе, начинают преобладать.

Суммарные потери в электродвигателе имеют четыре основные составляющие (см. рисунок 2.2):

- потери в стали (потери намагничивания), связанные с напряжением питания, постоянны для каждого двигателя и не зависят от нагрузки;

- активные потери в меди I²R, пропорциональные квадрату тока нагрузки (как в трансформаторе);

- потери на трение – постоянны для данной частоты вращения и не зависят от нагрузки;

- добавочные потери от рассеивания – зависят от нагрузки.

Снижение напряжения регулятором питания электродвигателя позволяет уменьшить магнитное поле в стали, которое избыточно для рассматриваемого режима нагрузки, снизить потери в стали и уменьшить их долю в обшей потребляемой мощности, т.е. повысить КПД двигателя. Сам регулятор напряжения (обычно в тиристорном исполнении) потребляет мало энергии. Его собственное потребление становится заметным, когда двигатель работает на полной нагрузке.

Степень загрузки электродвигателя, %

1 - потери на трение и сопротивление вращению; 2 - с учетом потерь в стали; 3 - с учетом потерь на рассеивание; 4 - суммарные потери с учетом активных потерь в меди.

Рисунок 2.2 - Сложение составляющих потерь мощности в электродвигателях

Часто в режиме холостого хода потребляется почти столько же энергии, сколько необходимо для работы. Переключение обмоток двигателя мощностью 7,5 кВт, работающего в номинальном режиме (линейное напряжение равно 380 В) по схеме «треугольник», при работе на пониженной нагрузке 1кВт (режим холостого хода) на схему «звезда» позволяет уменьшить потери мощности с 0,5 кВт до 0,25 кВт (см. рисунок 2.3). Необходимо избегать работы двигателя в режиме холостого хода.

Автоматическое переключение обмоток по схеме «треугольник» на соединение по схеме «звезда» в зависимости от нагрузки является простейшим способом регулирования двигателя, длительное время работающего на малой нагрузке.

1 – соединение «звездой»; 2 – соединение «треугольником».

Рисунок 2.3 - Влияние на потери переключения из «треугольника» в «звезду» стандартного двигателя мощностью 7,5 кВт

В установках с регулируемым числом оборотов (насосы, вентиляторы и др.) широко применяются регулируемые электроприводы.

Оценочные значения возможной экономии электроэнергии при применении регулируемого электропривода нагнетательного оборудования в пневмо- и гидросистемах равны:

- в компрессорах – 50%;

- в воздуходувках и вентиляторах – 40–50%;

- в насосах – 30%.

Тиристорные регуляторы напряжения дешевле, их диапазон регулирования скорости вращения на 10–15% ниже номинальных оборотов; частотные регуляторы (наиболее часто – в транзисторном исполнении) дороже, и диапазон регулирования у них шире. Электродвигатели, управляемые частотными регуляторами, для сохранения ресурса нуждаются в замене подшипников на специальные, электрически изолированные.

Стоимость электронного регулятора оборотов примерно равна стоимости электродвигателя.

Ориентировочная удельная стоимость электронного регулятора оборотов для обычного электродвигателя мощностью 75–200 кВт составляет около 60 долл. за кВт, с уменьшением мощности привода она увеличивается, и для 15-киловаттного двигателя стоимость электронной системы управления равна около 200–250 долл.

Применение регуляторов мягкого пуска (регуляторов напряжения) и торможения позволяет достичь экономии 1,6–3,7% электроэнергии для двигателей мощностью 22–30 кВт при 20% времени загрузки двигателя. Удельная стоимость регулятора в 1994 г. составила 50 долл./кВт для двигателей мощностью менее 20 кВт и 33 долл./кВт для двигателей мощностью более 20 кВт.

Все шире находят применение более дорогие, энергетически эффективные (ЭЭ) двигатели, использующие более качественные, электротехнические стали и медные обмотки большего сечения, позволяющие на 2—5% уменьшить активные потери.

Разработчики отмечают четыре направления повышения энергоэкономичности таких устройств:

- Большая длина сердечника из стальных пластин с низкими потерями. Этим уменьшаются магнитная индукция и, следовательно, потери в стали.

- Потери в меди уменьшаются максимальным использованием пазов и обеспечением подходящих размеров проводников.

- Потери от рассеивания минимизируются тщательным подбором количества пазов и их геометрией.

- Уменьшение потерь мощности в электродвигателе приводит к снижению мощности вентилятора обдува, затрачиваемой на его охлаждение.

Такие электродвигатели имеют более высокий КПД, допускают термические перегрузки, менее требовательны к обслуживанию, менее чувствительны к колебаниям напряжения сети и меньше шумят. Некоторые ЭЭ двигатели имеют цену двигателей обычного исполнения. Их применение экономически целесообразно при большом времени загрузки.

Приведем сводку общих мероприятий по энергосбережению в установках, использующих электродвигатели:

- Мощность двигателя должна соответствовать нагрузке.

- При часто повторяющемся режиме работы на холостом ходу двигатель должен легко выключаться.

- Необходимо эффективно защищать крыльчатку системы обдува
двигателя для устранения его возможного перегрева и увеличения доли потерь.

- Проверять качество эксплуатации трансмиссии – на эффективность работы системы влияет смазка подшипников и узлов
трения; применять правильно тип трансмиссии.

- Рассмотреть возможность применения электронных регуляторов
скорости вращения в двигателях, часть времени работающих не
на полной нагрузке.

- Экономически оценить возможность применения энергоэффективных (ЭЭ) двигателей.

- Качественно проводить ремонт двигателей, отказаться от применения неисправных или плохо отремонтированных двигателей.

2.3 Потери в электрических сетях предприятия

Нагрузочные потери электроэнергии на какой-либо линии электроснабжения предприятия за учетный период [6,9] составляют

, (2.8)

где К_ф – коэффициент формы графика суточной нагрузки (для электрических нагрузок большинства промышленных предприятий К_ф= 1,01-1,10), К_ф=I_ск/I_ср;

I_ск – среднеквадратичная величина тока отпуска сети;

I_ср – средняя величина тока ( I_ср – средняя за характерные сутки величина тока в линии) определяется по выражениям (2.9) и (2.10).

(2.9)

или

, (2.10)

где Э_а, Э_р – расход активной и реактивной энергии за характерные сутки, кВт∙ч;

U – линейное напряжение, кВ;

t_р – число рабочих часов за характерные сутки (за учтенный период), ч;

cos φ_ср – средневзвешенная величина коэффициента мощности сети;

R_э – эквивалентное активное сопротивление сети;

Т_р – время работы линии электроснабжения.

2.4 Электробаланс и оценка режимов электропотребления

Электробаланс промышленного предприятия состоит из статей «прихода» и «расхода» электрической энергии (активной и реактивной). В статью «приход» включается электроэнергия, полученная от энергосистемы и выработанная собственными электроустановками предприятия. Учет ведется по показаниям электросчетчиков.

Расходная часть электробаланса активной электроэнергии делится на следующие статьи расхода [6,9]:

1) Прямые затраты электроэнергии на основные технологические
процессы с выделением полезного расхода непосредственно на
выпуск продукции, без учета потерь в различных звеньях
энергоемкого технологического оборудования (на отпуск
тепла, отпуск горячей воды системы ГВС, отпуск хозяйственно-
питьевой воды и т.п.).

2) Косвенные затраты на основные технологические процессы
вследствие их несовершенства или нарушения технологических норм.

3) Затраты энергии на вспомогательные нужды (вентиляция, освещение и др.).

4) Потери в элементах системы электроснабжения (трансформаторах, реакторах, линиях, компенсирующих устройствах, двигателях и др.).

5) Отпуск через систему предприятия посторонним близрасположенным субабонентам (столовые, клубы, поселки, магазины, транспорт).

Наличие всех статей расхода необязательно, могут отсутствовать статьи вторая и пятая.

Расход электроэнергии должен быть отнесен на единицу выпускаемой продукции (отпускаемое тепло и т.п.) и сопоставлен с удельными показателями других, передовых предприятий.

Задача составления электробаланса:

- Определение расходов электроэнергии по статьям 2, 3, 4, 5 в целях четкого выделения ее расхода на основную продукцию, определения постоянных составляющих электропотребления, непосредственно не связанных с выпуском продукции, и потерь электроэнергии в системе электроснабжения предприятия.

- Определение удельных расходов электроэнергии на единицу продукции предприятия и сравнение с аналогичными показателями других предприятий.

- Выявление возможности сокращения нерациональных расходов энергии путем проведения различных мероприятий по усовершенствованию технологических процессов и снижению нерациональных вспомогательных затрат.

Для уменьшения стоимости потребляемой энергии необходимо провести анализ режимов суточного электропотребления и режимов работы технологического оборудования с целью определения экономического эффекта от перехода на зональные и двухтарифные системы оплаты за пользование электрической энергией. При этом может оказаться целесообразным изменение графика работы отдельного технологического оборудования (например, перенести период включения скважинных насосов, насосов подающих воду в емкости второго подъема, на ночной период и др.).

3 Энергопотребление в промышленности Республики Казахстан

3.1 Состояние электроэнергетического комплекса

Энергетика стратегическая отрасль промышленности Казахстана, являющаяся основой обеспечения жизнедеятельности всех сфер экономики и населения, формирующая значительную часть бюджетных доходов республики. Дефицит энергетических ресурсов является серьезным недостатком для развития экономики страны [2,10,11,12].

Одной из важнейших отраслей в структуре промышленности республики является электроэнергетика, от состояния которой зависит жизнедеятельность многих других отраслей экономики. На ее долю приходится около одной десятой части всей выпускаемой промышленной продукции республики.

Электроэнергетика Казахстана подразделяется на три зоны: северная, западная и южная.

Первая из них (шесть областей включая Восточно-Казахстанскую) имеет на базе энергетических углей северного и центрального Казахстана мощные тепловые станции - как конденсационного типа (КЭС) для выработки только электроэнергии, так и ТЭЦ для комбинированной выработки электро - и теплоэнергии. При этом более половины республиканского объема электроэнергии и около 40% теплоэнергии вырабатывают предприятия Павлодарской и Карагандинской областей, которые используют в основном уголь Экибастузского и Карагандинского бассейнов.

В Восточном Казахстане также находятся три средние по мощности гидравлические электростанции (ГЭС) на реке Иртыш.

В целом около 80% вырабатываемой в республике электроэнергии приходится на энергосистемы Северного Казахстана. Одновременно северная зона является самым крупным потребителем среди трех зон республики - на нее приходится около 71% всего потребления электроэнергии в Казахстане. Северная зона является единственной, которая удовлетворяет свои потребности в электроэнергии и экспортирует её часть в две другие.

Энергетика западной зоны (четыре области) ориентирована, в основном, на использование попутных газов нефтяных месторождений и природного газа на тепловых электростанциях, потребление зоны составляет около 12%.

Южная зона с потреблением около 18% его четырех областей испытывает дефицит электроэнергии. Тепловые станции этой зоны работают на привозном топливе и импортном газе, а средневзвешенная рабочая мощность станций, т.е. их готовность по своему техническому состоянию выдавать мощность, составляет 23% от установленной мощности. Этот показатель по Казахстану выше в полтора раза. Дефицит электроэнергии покрывается поставкой с севера республики за тысячу и более километров с большими потерями, часть энергии импортируется из соседних стран.

Таким образом, в южной зоне и в северной части западной зоны Казахстана наблюдается значительный дисбаланс между спросом и производством электроэнергии, обе зоны являются крупными импортерами. Поэтому, для достижения электроэнергетической независимости Казахстану необходимо дополнительное строительство энергоисточников в Западном и Южном Казахстане и строительство линии электропередачи Север-Юг в целях выдачи как можно большего количества энергии и мощности от ГРЭС Северного Казахстана в дефицитные области.

Сопоставимый анализ уровней потребления энергоресурсов развитых зарубежных стран и Республики Казахстан доказывает, что удельная энергоемкость валового внутреннего продукта РК превосходит мировые показатели в 2-4 раза, в том числе аналогичные показатели США - в 2,5 раза, Дании - в 3,5, Японии в 4,0 раза. В среднем удельное энергопотребление по данным Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) в 3 раза ниже, чем в РК (0,39 и 1,03 тут./тыс. долл. соответственно). В общереспубликанском объеме промышленного производства электроэнергетика занимает 17%, и 43% в объеме отраслей топливно-энергетического комплекса.

Республика Казахстан в мировом сообществе занимает незначительную долю (0,4%) и завершает первую тридцатку крупнейших стран - производителей электроэнергии. Снижение объемов выработки электроэнергии началось в 1990г. Основные причины обострения ситуации заключаются в том, что в отрасли действует значительное количество малоэкономичных электростанций, на которых расход условного топлива на отпущенный кВт-ч. примерно на треть выше, чем в среднем по странам Содружества; сокращается энергетическое строительство; имеет место отставание в техническом перевооружении предприятий.

Характерной чертой электроэнергетики РК является преобладающее использование органического топлива, преимущественно угля, при выработке энергии на ГЭС, что объясняется достаточным наличием энергетических ресурсов в стране. Имеющийся в изобилии дешевый уголь, в большей своей части, имеет низкое качество, что порождает немалые проблемы технического характера и проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды. Казахстан располагает также большими нефтяными и газовыми ресурсами, освоение которых планируется увеличить в несколько раз.

На долю тепловых электростанций приходилось 87% всей производимой в Казахстане электроэнергии, на долю гидроэлектростанций - 13%. Из всей вырабатываемой электроэнергии на ТЭС 84% составляла энергия, получаемая при сжигании угля, и 16% - при сжигании мазута и газа. Мощность электростанций в республике составила 18324 тыс. кВт∙ч, в том числе тепловых - 16064 тыс. кВт∙ч, гидроэлектростанций 2260 тыс. кВт∙ч [2].

За последние десять лет обеспечение тепловых электростанций и котельных всеми видами топлива было напряженным. Электроэнергетика - топливоемкое производство. Снижение добычи топливных ресурсов продолжает крайне негативно отражаться на обеспечении топливом многих отраслей промышленности. Так, только тепловыми электростанциями и крупными котельными Казахстана сожжено 49% общереспубликанской добычи угля, 43% - топочного мазута. Поэтому опережение темпов электропотребления над темпами производства начавшееся 25 лет назад ежегодно возрастало.

Увеличение электропотребления по сравнению с объемами выработки электрической энергии - следствие слабой технологической развитости и сырьевой направленности нашей экономики, моральной и физической изношенности основных производственных фондов электроэнергетической отрасли. В результате вместо энергосбережения идет рост расходов энергоресурсов. Техническое перевооружение всех типов тепловых электростанций (на угле и газе) экономически более эффективно, чем сооружение новых электростанций соответствующего типа.

В электроэнергетике Казахстана проблема эффективности сжигания первичных ресурсов в котлах, основным видом топлива которых являются низкокалорийные, высокозольные угли, наиболее острая. Необходимо продолжать работу над совершенствованием технологии сжигания таких углей, их предварительного обогащения с учетом экономической целесообразности; заменить котлы - генераторы на газотурбинные и паровые генераторы-утилизаторы, котлы атмосферного давления с кипящим слоем; внедрить технологии комбинированного цикла (уголь-газ) и системы комбинированного цикла с кипящим споем под давлением [2].

Целенаправленная работа, проводимая в электроэнергетике, непосредственно влияет на эффективность функционирования энергоемких отраслей промышленности, так как технический прогресс во многом определяется уровнем электрификации производственных процессов [10,12].

Казахстан в настоящее время характеризуется незначительным ростом в производстве тепловой и электрической энергии, что приведет к дальнейшему ухудшению энергообеспечения потребителей. В отрасли происходит быстрый рост доли физически и морально изношенного энергогенерирующего оборудования, старение электрических и тепловых сетей грозят катастрофическими срывами энергоснабжения населения, коммунальной и производственной сферы.

Кризисная ситуация в электроэнергетике усугублялась продолжающимися неплатежами. Это негативно отражалось на основной деятельности предприятий электроэнергетического комплекса. В 2005 г. сумма неплатежей за электрическую энергию только предприятиями электроэнергетики Казахстана составила более 30 млрд. тенге. Вследствие этого многие электростанции были вынуждены сокращать выработку электроэнергии.

Острый дефицит финансовых средств не позволял проводить необходимые мероприятия по модернизации основного электро - и тепло генерирующего оборудования, техническому перевооружению и реконструкции действующих и строительству новых электростанций.

В таблице 3.1 приведены показатели развития экономики и энергопотребления в РК.

Таблица 3.1 - Основные показатели развития экономики и энергопотребления РК

Наименование показателя	1990г.	1995 г.	2000 г.	2005 г.	2010 г.
ВВП, млрд. тенге	104,72	77.0	78,0	84,0	85,0
Электропотребление, млрд. кВт∙ч.	100,49	80,2	82,0	83,0	88,0
Потребление топливно- энергетических ресурсов, млн. т. у. т.	0,0376	0,0794	0,07	0,069	0,055
Удельная энергоемкость, т.у.т./тыс.т.	0,0361	0,0827	0,0779	0,0671	0,0571
Потребление электроэнергии на душу населения кВт∙ч.	6301	5680	5700	5820	6000

Потребности в энергии в будущем будут расти. Поэтому дальнейшее расширение энергетической инфраструктуры и удовлетворение потребности в энергии пойдет путем изыскания внутренних инвестиционных возможностей. Основой дальнейшего развития топливно-энергетического комплекса Казахстана должно явиться энергосбережение, построенное на реализации научно - технических мероприятий. Цель создания комплекса научно-технических мероприятий заключается в разработке механизма реализации энергосбережения на конкретных предприятиях и у других потребителей энергоресурсов.

Главным средством совершенствования энергопотребления должна стать эффективная политика энергосбережения, а ее главным содержанием, с одной стороны, - программа энергосбережения, выявляющая его резервы и наиболее эффективные пути их реализации, а с другой – эффективная система стимулирования и регулирования процесса энергосбережения с соответствующими законодательными, экономическими, организационными механизмами.

3.2 Структура энергопотребления объектами производства

За истекшие 20 лет существенно изменилась отраслевая структура
производства. Если в 1991г. наибольшую долю в объеме промышленного
производства занимали машиностроение, легкая и пищевая
промышленность (свыше половины республиканского объема), в середине 90х годов топливная промышленность (23,4%) которая включала нефтедобывающую, нефтеперерабатывающую, газовую, угольную промышленность и металлургическая промышленность (25,1%). То уже в 2000г. на долю нефтедобывающей промышленности приходилось 38% республиканского объема, и 85% горнодобывающей промышленности [2].

Основным потребителем энергии является индустриальный комплекс Казахстана. Затем, по мере убывания, - сельское хозяйство, коммунально-бытовой сектор, транспорт. Следует отметить, что сельское хозяйство включает потребление энергоносителей сельским населением. Уже начиная с 1994г., коммунально-бытовое потребление суммарно с потребностями сельского населения вышло на второе место по энергопотреблению. Поэтому вопросы энергетической эффективности в промышленности и коммунально-бытовом секторе должны стать одним из основных направлений энергосберегающей политики республики. Географические и природные особенности Казахстана определяют высокую долю энергопотребления на транспорте, горно-металлургической и машиностроительной промышленности.

Крупнейшим сектором индустрии республики стал топливно-энергетический комплекс (ТЭК), который, вырабатывая энергию, является крупным потребителем первичных и вторичных энергоресурсов.

В этой связи важность поставленных проблем вытекает из особенностей хозяйственного комплекса РК. В электро - и теплоэнергетике выделяется проблема эффективности сжигания первичных ресурсов в котлах, поскольку основным видом энергетического топлива в Казахстане являются низкокалорийные высокозольные угли, а вопрос эффективной работы энергетических установок на них до конца еще не решен. Здесь необходимо продолжать работы над совершенствованием технологии сжигания таких углей и над вопросом предварительного их обогащения с учетом экономической целесообразности. Наряду с этим большая неравномерность размещения энергоресурсов и энергопотребителей в Казахстане, наличие мощных транзитных нефтегазопроводов и линий электропередачи обусловливают высокие потери при транспорте энергоносителей. Совершенствование энерготранспортной схемы, комплексный подход к ней, совершенствование транспортных технологий должны существенно снизить энергозатраты в ТЭК Казахстана.

Особенностью промышленности РК является применение энергоемких технологий. Это в основном плавильные печи разных конструкций в черной цветной металлургии, машиностроительной и химической промышленности.

Использование вторичных, комбинированных циклов, установок утилизации тепла является межотраслевой задачей. Оборудование для таких процессов имеет универсальное применение. Исходя из больших объемов применения такого оборудования, целесообразно рассмотреть возможность изготовления отдельных его видов на предприятиях Республики Казахстан. Эффективное использование энергетических ресурсов должно стать межотраслевым мероприятием республиканского значения. Поэтому энергосбережение должно быть признано проблемой государственного значения, а разработка методических основ его обеспечения имеет важное значение для реализации стратегии экономического роста и вхождение республики в ближайшее время в пятьдесят высокоразвитых стран мира.

Целенаправленная работа, проводимая в электроэнергетике, непосредственно влияет на эффективность функционирования энергоемких отраслей промышленности. При этом технический прогресс во многом определяется уровнем электрификации производственных процессов. Следует отметить, что электрификация силовых процессов в основном завершена. В технологических процессах электроэнергия используется пока недостаточно, вследствие напряженности энергобаланса и относительно высокой стоимости электроэнергии. Применение электротехнологических процессов в ряде случаев оказывается экономически нецелесообразным в связи с возможностью более эффективного использования природного газа.

Изменения в статусе топливно-энергетического баланса республики и
осуществление на этой основе электрификации и газификации
промышленности позволяет значительно расширить области применения
электроэнергии и газа в энергоемких технологических процессах
производства.

В рыночной экономике значительная роль в развитии техники и технологии, как было отмечено выше, принадлежит электрификации, которая обеспечивает условия роста производства и позволяет применять высокопроизводительные машины, механизировать и автоматизировать производственные процессы, увеличивать производительность труда, поднимать его культуру. По республике наблюдается неодинаковый уровень электрификации отдельных регионов, которая связана, прежде всего, с неравномерным размещением промышленных предприятий.

В промышленности электрификация должна охватывать те производственные процессы, которые на каждом данном уровне развития техники и технологии, возможно, экономически эффективно электрифицировать. В машиностроении электрифицируются процессы термической обработки деталей, поковок, отливок (закалка, нормализация, цементация и т.д.). Например, закалка токами высокой частоты взамен пламенной сокращает цикл обработки (при закалке поршневого пальца с 16 часов до нескольких секунд), автоматизирует процесс, что позволяет сократить численность персонала в 5 раз, повысить качество изделий и, наконец, сократить время на механическую обработку [11].

Следовательно, суть тенденции технического прогресса состоит в следующем: во-первых, электрификация охватила почти все силовые процессы (конечно, там, где выгоден именно электропривод) во-вторых, электроэнергия служит основой для возникновения и широкого развития новых производств и процессов; в-третьих, наряду с электрификацией энергоемких технологических процессов (осуществление его пока идет недостаточно быстро) происходит стремительными темпами их газификация, за счет увеличения в топливно-энергетическом балансе Казахстана удельного веса природного газового топлива. Эти обстоятельства потребовали обратить особое внимание на очень важный аспект тесной и непосредственной связи между процессом электрификации (газификации) и состоянием топливно-энергетических ресурсов по регионам страны, условиями энергоснабжения отдельных потребителей, на выявление влияния этого процесса на экономику предприятий и применяемую технологию.

С энергетической точки зрения энергосберегающие технологии зависят от специфики производства и наличия энергетических ресурсов в данном регионе. При напряженном энергетическом балансе выбор экономичного энергоносителя (газа и электроэнергии) может осуществляться лишь на основе результатов технико-экономического анализа, проводимого по специальной методике. Особое значение приобретает выбор энергоносителя для энергоемких производств (в кузнечно-штамповочном - это нагрев заготовок под ковку и штамповку, нагрев металла под термическую обработку, плавка чугуна и стали и т.д.). Правильное решение этого вопроса (как показывает анализ использования энергоресурсов в энергоемких технологиях) может обеспечить значительный экономический эффект. На основе системы экономических расчетов в настоящее время появляется возможность сформулировать рекомендации по определению оптимального (в данных производственных условиях) варианта технологии нагрева для термической обработки, плавки металла и выбора наиболее экономичного энергоносителя.

Следовательно, для эффективного функционирования электроемких
производств потребуется достаточное количество электроэнергии. Однако, этому препятствует неодинаковый уровень электрификации отдельных регионов страны. Так, например, в Павлодарской области электровооруженность труда в промышленности выше, чем в целом по республике в 2,6 раза, Атырауской области - в 1,6 раза. Энергетическая суммарная мощность электродвигателей, обслуживающих производственные процессы в промышленности составила 61,3% от общереспубликанской мощности, электроаппаратов - 30,6%, других двигателей - 8,1%. Следует отметить, что в общем объеме промышленного потребления энергетических ресурсов доля машиностроения составляет - 17%; доля расхода электроэнергии достигала -19,4%, тепла - 10,0%, газа увеличилась до 15% [2].

Таким образом, потребление энергии на промышленном предприятии можно классифицировать по следующим основным признакам:

по видам энергоносителя, то есть по видам материальных носителей энергии (природный газ, сжатый воздух, горячая вода и т.д.);

по видам потребляемой на предприятии энергии: электрическая, механическая, тепловая, световая и т.п. Один и тот же вид энергии может быть получен на базе различных энергоносителей;

по направлению использования энергии на промышленном
предприятии (в технологических установках, привод подъемно-
транспортного, станочного и других видов оборудования, вентиляция,
отопление, освещение и т.п.).

Наиболее широкое распространение во всех технологических процессах имеет электроэнергия, газ и мазут, причем использование электроэнергии и газа в технологических процессах растет высокими темпами. Следует отметить, что доля газа и электроэнергии систематически повышается и достигнет к 2010 году соответственно 25% и 75%. Мазут как технологическое топливо в дальнейшем будет занимать незначительный удельный вес в общих энергозатратах. Для большой группы энергоемких производств (нагрев заготовок под обработку давлением, термообработка и плавка чугуна и стали) есть возможность использования различных видов энергии.

Следует подчеркнуть, что выбор вида топлива или электроэнергии для энергоемких процессов следует начинать с установления технической возможности их использования в рассматриваемом процессе. Основными требованиями здесь являются: высокая теплотворная способность и температура сгорания; малое содержание золы, влаги и серы; однородность и постоянство состава; возможность регулирования расхода в широких пределах; удобство транспортирования и хранения; простота организации энергетического хозяйства.

Природный газ сжигается при минимальном избытке воздуха, при этом обеспечивается равномерное распределение температуры в рабочем пространстве печи и легкая регулируемость процесса горения. В связи с чем в настоящее время в энергоемких технологиях газ конкурирует с электроэнергией, так как в ряде случаев это определяется также и условиями электроснабжения района (в случае дефицита районного энергобаланса). Однако, все же электроэнергия является наиболее универсальным энергоносителем, обладающим рядом преимуществ перед другими. А именно, применение электроэнергии позволяет, интенсифицировав технологический процесс, повысить качество и улучшить многие технико-экономические показатели. Тенденция на полную электрификацию всех энергоемких технологий, казалось бы, является бесспорной, но экономическая оценка ряда электротехнологических процессов, например, высокочастотного индукционного нагрева кузнечных заготовок, а также местные условия снабжения электроэнергией и другие потребности производства заставляют в ряде случаев отказаться от применения электроэнергии.

Поэтому в настоящее время, экономически правильным решением вопроса, для большинства районов страны, за исключением районов с избыточным электробалансом, на базе дешевой электроэнергии, является ограничение электрификации теми энергоемкими процессами, в которых электроэнергия не может быть заменена другими видами или ее применение дает высокую технико-экономическую эффективность.

Таким образом, электрификация обеспечивает непрерывный рост всего общественного производства, позволяя, в частности, применять высокопроизводительные машины, механизировать и автоматизировать производство, повышать производительность труда, улучшать его культуру.

3.3 Организация экономичного энергопотребления на объектах

Если мы будем рассматривать промышленное предприятие как систему, то сможем установить, что, с одной стороны, имеются затраты энергии, сырья и труда, а с другой - выпуск продукции, выход вторичных энергоресурсов и материалов. Чтобы максимизировать прибыли, тот или иной руководитель пытается обеспечить по возможности наиболее низкие издержки, связанные с затратами на производство.

В прошлом во многих случаях в связи с тем, что стоимость энергии была низкой по сравнению с другими затратами, ее игнорировали. Однако, сейчас в условиях постепенно увеличивающихся цен на энергию энергетическим затратам следует уделять больше внимания. Экономить энергию можно или путем усовершенствования процесса превращения энергии утилизации вторичных энергетических ресурсов, или путем повторного использования вторичных материалов. Большие возможности имеются в таком использовании технологии, чтобы она обеспечила достижение значительной экономии. Но для того чтобы определить эти области возможной экономии, должны быть получены ответы на два основных вопроса:

а) Какие имеются области деятельности, в которых могут предусматриваться большие потенциальные возможности для улучшения использования энергии?

б) Какие специальные меры или альтернативные решения для этих областей деятельности могут привести к улучшению и более эффективному использованию энергии?

Для производства любого данного ассортимента продукции требуется определенный минимум расхода энергии, зависящий от влияния таких основных факторов, как качество выбранного сырья, принятая технология производства и уровень производства, который намечено обеспечить. За пределами этого порогового значения необходимо экономически сбалансировать дополнительные издержки, вызываемые использованием энергетически эффективного оборудования или технологического процесса со стоимостью энергии, которая может быть сэкономлена в результате их применения. В период дешевых, легкодоступных энергетических ресурсов и относительно неограниченных источников охлаждающей воды в некоторых отраслях, экономия энергии и энергосбережение не обязательно должны были быть синонимичными или даже сходными [8].

Несмотря на то, что некоторые более энергоемкие промышленные потребители, включая химическую, целлюлозно-бумажную и нефтеперерабатывающую промышленность, уже давно установили, что вполне конкурентоспособно предусматривать энергосбережение. Тем ни менее имеется большое число примеров вплоть до последнего времени, когда экономия, которая может быть достигнута при применении того или иного энергосберегающего оборудования, не компенсировала затраты на установку этого оборудования. Однако в настоящее время, с учетом неопределенности с поставками энергии и быстро растущих цен на топливо, энергосбережение должно стать не только достижением отдельных предприятии и фирм, но и общегосударственным делом.

Множество различных факторов влияют на использование энергии для тех или иных вариантов конечного потребления энергии предприятиями. Среди этих факторов наиболее важными являются: капитальные затраты и затраты на топливо; издержки производства и издержки на техническое обслуживание и текущий ремонт; технология производства; надежность оборудования; наличие ресурсов топлива; затраты труда; необходимые производственные площади; социальные факторы (охрана окружающей среды, техника безопасности и т.д.). Чтобы установить, имеется ли возможность значительно сократить нашу потребность в топливе путем улучшения коэффициента использования топлива, необходимо изучать процессы, которые в наибольшей степени определяют расход топлива, и коэффициент использования топлива и энергии в этих процессах.

Оценки потенциала энергосбережения в секторе промышленности могут быть отнесены в лучшем случае к весьма деликатным операциям. Несмотря на то, что мы знаем, сколько энергии расходуется различными видами технологических процессов, трудно определить, какое количество энергии можно было бы сэкономить при использовании энергосберегающих конструкций оборудования для осуществления этих промышленных процессов. Еще более важно и то, что мы не располагаем средствами прогнозирования способности промышленности, осуществлять программы энергосбережения в добровольном или принудительном порядке [8,12].

Вследствие низкой стоимости энергии, в недавнем прошлом, (составляющей только от 3 до 5% от общих затрат для фирм изготовителей продукции) можно предполагать, что промышленность просто и не старалась эффективно использовать энергию в ее производственных процессах. Ориентировочно менее 50% всей энергии, расходуемой во всем мире, используется эффективно, а остальную часть составляют потери энергии при превращениях, на тепловое излучение, с охлаждающей водой и пр. Около 55% энергии, используемой в черной металлургии, расходуется эффективно. Это означает, что теряются 45% энергии. Электроэнергетика использует около 30% энергии, содержащейся в ископаемом топливе, в связи с чем, теряется почти 70% этой энергии. На транспорте положение обстоит даже хуже, только 25% поступающей этому потребителю энергии расходуется эффективно, в то время как 75% теряются. В других отраслях промышленности, в которых энергия используется не в первичной, а во вторичной форме, для приведения в действие машинного оборудования достигаются лучшие показатели, и по оценкам коэффициент использования энергии в них составляет 75% [8].

В современной литературе указывается, что не будет необоснованным предположение о возможности достижения экономии энергии около 30% в результате внедрения современных энергосберегающих технологических процессов в промышленную практику [11,13]. Эффективность, с которой энергия используется в промышленности, колеблется в широких пределах в зависимости от особенностей той или иной отрасли и мощности установки. Изобретение более эффективного оборудования и более эффективных технологических процессов (например, в производстве цемента, нефтепереработке, химической технологии) и особенно внедрение методологии, способствующей использованию вторичных энергоресурсов на предприятиях, может способствовать достижению дополнительной экономии энергии в промышленности, сверх полученных оценкой в 30 %.

Можно рассмотреть ряд перспективных оценок потенциала энергосбережения. К примеру, нефтехимическая энергетическая группа, представляющая собой нефтехимическую промышленность в целом может уменьшить существующий уровень удельного расхода топлива на единицу объема производства, примерно на 7-12%, и добиться в дальнейшем еще большей дополнительной экономии (5-10%), возможной в долгосрочной перспективе в результате разработки более эффективных процессов и установки нового оборудования. Однако, фактические снижения расхода достигнутые крупными зарубежными фирмами по некоторым данным превысили эти расчетные пределы.

В перспективе снижение потребности энергетических ресурсов в промышленности может составить примерно 30% [1]. С учетом существующих технологий имеется возможность уменьшить на одну треть удельный расход топлива в черной металлургии, нефтеперерабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности, в производстве алюминия, меди и цемента. Такое уменьшение расхода в основном покрыло бы дополнительную потребность в топливе, связанную с ростом промышленности, который прогнозируется на оставшиеся годы текущего десятилетия.

В тех случаях, когда энергия используется более эффективно, может быть снижена себестоимость продукции и увеличены прибыли. Все это можно осуществить даже с учетом влияния резкого увеличения затрат на энергию. Имеется возможность классифицировать мероприятия, которые способствуют экономии энергии, по трем основным группам:

а) Общеорганизационные меры. Промышленные фирмы могут значительно уменьшить энергопотребление, улучшив обслуживание оборудования и организацию энергопотребления (например, вывод из эксплуатации резервных печей, улучшение комфортных условий, устранение утечек пара и тепла) и сделав больший упор на оптимизацию энергопотребления. Кроме того, экономия по этой группе может быть достигнута путем улучшения эксплуатационных режимов (например, работа при более низких, но приемлемых температурах без их отрицательного влияния на производительность).

б) Научно-технические мероприятия. Мероприятия, направленные на видоизменение оборудования и технологических процессов, отличающихся высокой энергоэффективностью (см. рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 - Основные научно-технические мероприятия энергосбережения

Видоизменение оборудования можно осуществлять применительно к существующему оборудованию (модернизация), или применение вновь создаваемого оборудования, или касаться одновременно того и другого. Усовершенствования могут быть результатом улучшения контроля качества продукции, использования более долговечных или более эффективных деталей и воплощения новой или ранее отрицавшейся более эффективной идеи в отношении конструкции оборудования. Изменения в технологических процессах или их полная замена для достижения более высоких тепловых к. п. д., также могут быть осуществлены при условии обеспечения производства продукции определенного качества в необходимых количествах, при расходе меньшего количества энергии.

в) Комплексное осуществление операций. Улучшение использования оборудования может быть достигнуто путем тщательного изучения производственных процессов, графиков работы, эксплуатационных операций. Как правило, промышленные предприятия являются многоагрегатными, многопродуктными комплексами, которые в прошлом зачастую проектировались и сооружались для последовательного осуществления независимых операций при минимальном внимании к общей эффективности использования энергии на том или ином предприятии. Повысить энергетическую эффективность этих предприятий можно путем использования целого ряда способов:

- организацией надлежащей последовательности технологических операций. Например, применение пара или газа высоких давлений для выработки электрической энергии или для привода перед тем, как утилизировать тепло, содержащееся в паре или продуктах сжигания газа, поможет добиваться максимального использования имеющегося энергетического потенциала;

- коренным изменением графиков работы с целью использования технологического оборудования в течение непрерывных периодов эксплуатации, что позволит тем самым избежать многочисленных кратковременных периодов работы и свести к минимуму потери тепла на разогрев;

- надлежащей разработкой графиков технологических операций во время вне пиковых периодов для поддержания постоянного уровня электрической нагрузки и обеспечения использования энергии в периоды пиковых нагрузок.

Следует практиковать последовательное использование энергии и материалов, начиная с наивысших значений тех или иных их характеристик. Это позволит значительно снизить ухудшение характеристик применения после завершения каждой из ступеней этих характеристик. Энергосбережения можно достигнуть в результате агрегированного влияния определенной последовательности операций и их взаимодействия как в пространстве, так и во времени. В связи с этим энергетические системы могут удовлетворять потребности непрерывно при изменении теплового потока с его наивысшего температурного уровня до самого низкого значения. Разделение отдельных технологических операций в пространстве или во времени вызывает значительные изменения температуры и соответствующие потери энергии, а также увеличивает расход энергии на транспортировку и эксплуатацию оборудования.

Все эти категории изменений требуют прироста основного капитала и представляют собой ни что иное, как замещение этим капиталом затрат на покупку энергии. Однако многие изменения в организации энергоиспользования требуют только более тщательной организации энергоснабжения.

Создание эффективной программы организации энергоснабжения выдвигает на первый план следующие основные элементы:

- понимание основных принципов энергоиспользования и их практическое осуществление на предприятии;

- проведение всеобъемлющих исследований для количественной оценки всего расхода энергии и ее прихода за заданный период времени; следует также выделить то оборудование, эксплуатация которого связана со значительным расходом энергии;

- создание плана мероприятий и организаций необходимой информации;

- установление заданий по расходу энергии отдельными агрегатами;

- организация управления энергоснабжением и контроль за энергоиспользованием в соответствии с установленными заданиями.

Большая часть энергорасходующих агрегатов и технологических процессов, которые используются в настоящее время, была создана и внедрена в период дешевой и имеющейся в избытке энергии, особенно ископаемых видов топлива. Последствием было то, что при данных высоких капитальных затратах и более высоких затратах труда было очень мало стимулов для разработки эффективных с энергетической точки зрения типов технологии. В настоящее время существует большое количество вариантов технологии, в которых используются более энергосберегающие решения, но они более широко используются за рубежом, где энергия, как правило, стоила даже больше, чем в Республике Казахстан. С учетом быстрого увеличения затрат на топливо, изменений в ресурсах топлива и экологической ситуации эмпирические методы и общепринятые варианты технологии должны быть пересмотрены критически. Многие из известных методов должны быть модернизированы и усовершенствованы. Например, во многих процессах, в которых сырьем также является топливо, конструкции агрегатов, которые позволяют оптимизировать расход сырья, будут косвенно снижать и общую потребность в энергии.

4 Альтернативные источники энергии из углеводородных ресурсов и перспективы использования водорода

4.1 Синтетическое топливо из угля и битуминозных пород

К синтетическому виду топлива относятся нефть «синтетическую» и газ, полученные из угля, дополнительные углеводородные ресурсы, представленные органической составляющей горючих сланцев и битуминозных пород, топливные спирты, а также водород [2].

Уголь, горючие сланцы и битуминозные породы являются главными перспективными источниками получения жидкого и газообразного топлива. Потенциальные запасы содержащегося в них углеводородного сырья намного превосходят известные запасы нефти и природного газа.

Широкодоступная и разнообразная сырьевая база и полностью отработанная и освоенная технология производства спиртов являются одним из основных преимуществ энергетического использования спиртов в качестве топлива или добавки к нему.

По мнению многих специалистов, водород способен заменить ископаемое органическое топливо в таких сферах его потребления, как авиация, автотранспорт, коммунально-бытовой сектор и т.д. При этом ресурсы водорода (если в качестве его источника рассматривать воду) практически не ограничены. Самым важным свойством водорода является универсальность его использования. Он может применяться в качестве основного топлива или как добавка к нефтяному при небольших конструктивных переделках двигателя; энергия водорода может также преобразовываться в электроэнергию; водород способен заменить природный газ и нефть почти во всех крупных химических производствах.

Большое значение имеет создание промышленной технологии получения жидких синтетических топлив на базе огромных запасов бурых и каменных углей, в состав которых входят органические и минеральные компоненты. Перечень и вещественное содержание этих компонентов предопределяет выбор направлений использования и методов комплексной переработки углей. Существенное влияние на дальнейшее расширение глубокой переработки углей оказывает технический прогресс, представляющий собой непрерывное развитие и совершенствование орудий труда и технологических процессов в этой области.

К настоящему времени разработаны и проходят проверку новые технологические схемы и процессы, внедрение которых значительно расширит масштабы комплексной переработки углей. К таким процессам, в первую очередь, относятся высокоскоростной пиролиз, гидрогенизация и термическое растворение.

Высокоскоростной пиролиз (от греч. «пир» - «огонь» и «лизис» - «разложение») или полукоксование - процесс последовательного нагрева предварительно измельченного до пылевидного состояния угля сначала газовым до температуры 300°С (сушка), а затем твердым теплоносителем до температуры 650°С (разложение с выделением основной массы паров смол и тяжелых углеводородов). При взаимодействии с твердым теплоносителем происходит теплообмен с высокими скоростями. Это позволяет резко интенсифицировать процесс по сравнению с традиционными схемами полукоксования и обеспечить более чем в 2 раза выход продуктов пиролиза.

В результате такого интенсивного разложения получаются полукокс (68%), энергетический газ (15%) и смола (17%), которые характеризуются следующими качественными показателями:

Полукокс

Зольность, %.............................................................................. 12-20

Содержание летучих веществ, % …………………………….5-19

Теплота сгорания, кДж........... ………………………………27,21-28,05

Насыпной вес, кг/м^З............... …………………………….....760

Смола, %

Карбены-карбоиды.................. ………………………………..5

Асфальтены............................. ………………………………...5

Фенолы.................................... ………………………………..26

Нейтральные масла................. ………………………………..47

Осмоляющиеся........................ ……………………………….14

Пиридиновые основания......... ………………………………..2

Карбоновые кислоты............... ………………………………..1

Энергетический газ, %

Углекислоты............................ ………………………………23

Оксиды углерода.................... ……………………………….16,8

Водорода................................ ……………………………….24,2

Удельные углеводороды........ ……………………………….25,0

Непредельные углеводороды. 4,7

Кислород................................. ……………………………… 0,5

Азот.......................................... ……………………………… 6,2

Сероводород........................... ………………………………. 0,3

Теплота сгорания, кДж/кг...... ……………………………… 20,09

Удельный вес, кг/м³….…………………………………….... 1,04

Угольный газ используется в качестве топлива для экологически чистых электростанций и как сырье для получения ценных химических продуктов.

Исследованиями установлена возможность выделения из смолы до 47% дистиллятной части, из которой около 50% отгоняется в виде бензиновой фракции. Жидкие топлива из тяжелой части смолы могут быть получены при ее замедленном коксовании. Процесс получения смол протекает следующим образом: топливо нагревают до температуры 100-1500°С для удаления влаги. При дальнейшем нагревании до температуры 200-2500° начинается выделение неконденсирующихся газов. При температуре около 3500° вместе с этими газами выделяются пары смол, выход которых достигает максимум при температуре до 400-4500°С, затем выход паров смолы уменьшается и к моменту подогрева топлива до температуры 5500°С прекращается совершенно. При этой температуре смола выводится из зоны нагрева.

Получаемая смола по своему составу напоминает нефть и используется для выработки искусственного жидкого топлива и смазочных масел. Получение жидкого топлива из смолы производится ее перегонкой с последующим крекингом тяжелых остатков. Фракции при перегонке смолы подвергают очистке, после которой получается товарная продукция.

К настоящему времени разработан ряд новых решений. В частности, это относится к предварительной сушке угля газовым теплоносителем в вихревых камерах, механохимической подготовке углемасляных суспензий, очистке газов низкотемпературной короткоциклонной абсорбцией, сжиганию шламов и сточных вод и регенерации катализаторов. Количество органической массы угля, превращаемое в жидкие и газообразные продукты, составляет 90-92%. Жидкие продукты с температурой кипения до 300° подвергаются переработке с применением процессов гидроочистки, каталитического риформинга и гидрокрекинга с получением высокооктанового бензина и дизельного топлива, выход которых составляет 45-45% по отношению к исходному углю.

Для получения синтетического топлива из угля широко также используется гидрогенизация – процесс насыщение угля водородом. И нефть, и уголь - углеводороды, но основное отличие их друг от друга - разное содержание водорода: в нефти 13-15%, в угле 4-6%. Если тонко размолотый уголь нагреть до 400-5000°С и добавить недостающее количество водорода, то уголь сжижается и превращается в похожую на нефть жидкость, близкую по свойствам к природной нефти.

Гидрогенизация происходит гораздо быстрее в присутствии катализаторов веществ, ускоряющих ход химических реакций. В качестве катализаторов используют соединения молибдена, железа, алюминия и других металлов.

Для получения тонны нефти: бурого угля надо 5 т., а каменного - 2-3 т. Ресурсы угля, пригодного для гидрогенизации огромны и оцениваются в сотни миллионов тонн. В ЮАР уже действует несколько крупных заводов, где из 30 млн. т. угля производится до 10 млн. т. искусственной нефти. Если же заглянуть в историю, то первые опыты по гидрогенизации угля были начаты в первой трети XX веке известным немецким химиком Эмилем Фишером. Это дало возможность Германии производить нефть из угля, так как в стране не было своей нефти. В этой связи необходимо отметить, что за искусственной нефтью большое будущее. В XXI веке масштабы гидрогенизации угля возрастут во много раз, и объемы получения искусственной нефти будут сопоставимы с объемами добычи природной нефти.

Немаловажное значение имеет технология получения из углей тяжелых жидких экстрактов и выработки синтетической нефти и моторных топлив путем деструктивной гидрогенизации продуктов термического растворения. Решением этой проблемы заняты в Институте горючих ископаемых МОН РК. Предварительные результаты по выходу продуктов следующие: бензин автомобильный - 7,45%, электродный кокс - 12,45%, битум - 25,92%, газы -12,17%, остаточный уголь 25,92%, потери - 8,63%.

Значительным резервом развития индустрии дополнительного сырья являются битуминозные породы. Это комплексное органоминеральное сырье, которое при термическом воздействии способно выделять органическую смесь, являющуюся заменителем нефти, а минеральные остатки, остающиеся после отделения «синтетической» нефти, представляют собой прекрасное сырье для строительной и дорожной индустрии.

Месторождения и скопления битуминозных пород довольно многочисленны, и географическое размещение их крайне неравномерно. В связи с плохой изученностью прогнозные запасы «синтетического» топлива, содержащегося в битуминозных породах, варьируют от 20 до 30 млрд. т.

Таким образом, крупным резервом жидкого топлива являются битуминозные мелко- и крупнозернистые кварцевые пески и песчаники. По содержанию битумов они подразделяются на три группы. Содержание битумов в первой группе - более 10% (по массе), во второй - от 4 до 10%, в третьей - не более 4%.

В Канаде пущен большой завод, вырабатывающий жидкое топливо из битуминозных песков. На заводе перерабатывают в сутки около 100 тыс. т. битуминозных песков, из которых извлекают около 10 тыс. т. битума. В процессе термического крекинга битума из последующей переработки дистиллятов получают около 7500 м³ жидкого топлива в сутки. Нефтезаводские газы используют для производства 1,8 млн. м³ водорода в сутки, применяемого в процессе переработки и облагораживания дистиллятов, получаемых в процессе крекинга. Сероводород, образующийся в процессе очистки дистиллятов от серы методом гидрогенизации, используют для производства элементарной серы. Завод выпускает около 300 т. серы и около 2600 т. кокса в сутки с использованием последнего на ТЭЦ, вырабатывающей пар, электроэнергию и сжатый воздух.

4.2 Спиртовые топлива

Как компоненты моторных топлив спирты - метанол, этанол ранее в периоды острой нехватки топлива уже использовались. В настоящее время за рубежом наибольший практический опыт накоплен по использованию этилового спирта [2,4,5].

В начале 70-х годов XX века, в связи с возрастающими требованиями к качеству используемых топлив, необходимостью расширения сырьевой базы производства моторных топлив возрос интерес и к использованию метанола как топлива или добавки к нему. Известны такие топлива, как «газохол», «дизохол».

Значительный интерес к спиртовым топливам, особенно метанольному, обусловлен рядом причин, из которых главными являются: экологичность таких топлив более приемлемы, чем синтетический бензин и другие не нефтяные топлива, хранение и распределение аналогично бензину, их применение дает возможность достичь повышения топливной экономичности двигателя. Все это достигается при одновременном расширении ресурсов моторных топлив нефтяного происхождения.

Технически доказана возможность использования метанола, в качестве 5 и 15% добавки к бензину, для производства высокооктановой добавки к топливу - МТБЭ (метил-трет-бутиловый эфир) для производства бензина из метанола, а также в чистом виде.

Бензометанольная смесь, содержащая 5% метанола, ввиду расслаивания при температуре - 3°С может быть использована как летний вид топлива. В целом бензометанольные смеси стабильны в эксплуатации, выхлопы компонентов в отработанных газах значительно снижены: углеводородов на 10-20%, оксидов азота - на 30-35%. В настоящее время в лабораторных условиях проводят работы по использованию метанола в чистом виде. Однако такое использование требует значительных изменений конструкций серийных двигателей, которые не могут быть осуществлены на современном уровне развития техники. Отрабатывают раздельную подачу метанола от бензина и такие двойные топливные системы имеют ряд преимуществ.

Биотехнология является одним из важных направлений научно-технического прогресса. Ее развитие поможет Казахстану войти в клуб 50 наиболее конкурентоспособных государств мира. Она способна предложить эффективные методы лечения, обеспечить здоровую пищу, уменьшить зависимость от ископаемых источников топлива. Но для этого необходимо адекватное финансирование, современное оборудование и, самое главное, мощный научный потенциал.

Большой вклад в оздоровление окружающей среды может внести реализация проекта построения казахстанской биоэтанольной отрасли. Кроме того, ее развитие может стать одним из прорывных национальных проектов.

Уникальный комплекс биоэтанола - высокооктановой присадки к моторному топливу на основе глубокой переработки зерна североказахстанский завод «Биохим» не имеет аналогов не только в Казахстане, но и на всем постсоветском пространстве, и призван, наглядно продемонстрировать преимущества кластерной системы в экономике. При ежегодном урожае в Северо-Казахстанской области порядка 5 млн. т. зерна, производство биоэтанола может превратить экономику региона в настоящей зерновой Клондайк.

Известно, что аграрный сектор страны нуждается в серьезной модернизации. Одна из главных проблем заключается в диверсификации аграрного сектора, т.е. постепенно отказываться от монополизма в яровом севе в пользу развития более высокоэффективных сельскохозяйственных культур и технологий. Особенно если учесть, что две трети отечественного биоэтанола планируется экспортировать на внешний рынок.

Основными потребителями казахстанского биоэтанола станут страны Евросоюза, в которых законодательно установлено требование об обязательном присутствии в топливе биоприсадок - не менее 5 процентов.

Кроме этого, проблемы улучшения экологической обстановки уже сейчас остро стоят в таких крупных отечественных городах, как Астана, Алматы, Усть-Каменогорск, Караганда, Шымкент. Учитывая тенденцию увеличения парка автомобилей и возникновения новых производственных мощностей, необходимость решения этой задачи станет актуальной и для других регионов республики. В этом случае производство биоэтанола позволит сократить вредные выбросы в атмосферу на 30% поскольку биоэтанол - альтернативная и экологически чистая биоприсадка к бензинам, получаемая из зерновых культур (пшеница, кукуруза, рожь, ячмень, рис и т.д.). Помимо экологической выгоды применение биоэтанола повышает октановое число топлива, увеличивая эффективность работы двигателя. Проекты такого рода, по мнению специалистов, позволяют уйти от нефтяной зависимости экономики и открыть новые горизонты и укрепления сельского хозяйства, в частности, создания новых рабочих мест.

За рубежом еще до недавнего времени почти весь этанол, полученный путем дрожжевого сбраживания сахаров, использовался для производства алкогольных напитков, Лишь незначительное его количество, полученное преимущественно химическим путем, применялось в промышленности. Однако за последние 25 лет ситуация коренным образом изменилась.

В настоящее время уже более половины мирового производства этанола используется в качестве добавки к топливу для двигателей внутреннего сгорания (бензина), и лишь около 15% - для производства спиртных напитков. Например, в 1998 году мировое производство этанола составляло 32 млрд. литров. При этом пищевого этанола произведено около 4 млрд. литров (спирт, необходимый для производства спиртных напитков); этанола, используемого в химической промышленности, 8 млрд. литров; а топливного этанола - около 20 млрд. литров. Лишь 7% этанола было получено путем химического синтеза, а 93% - с помощью дрожжевой ферментации (биотехнического синтеза). Около 60% последнего производства из сахара, остальное - из зерна. Интересно, что объемы производства пищевого спирта остаются неизменными с 1975 года, в то время как производство топливного этанола год от года возрастает (с 2 млрд. литров в 1975-м почти до 20 млрд. литров в 1998-м). На сегодня весь топливный этанол продуцируется биотехнологическим путем сбраживания (дрожжами) или сахаров (сахарный тростник), или крахмалосодержащего сырья (в основном кукуруза).

Мировые лидеры по производству топливного этанола - Бразилия и США. В этих странах, да еще в Канаде, существуют государственные программы производства топливного этанола. Подобную программу подготовил Европейский Союз (ЕС). В 1999 году Бразилия произвела 6,5 млрд. литров топливного этанола, что обеспечило 13% ее общих потребностей в жидком топливе. Это позволило сэкономить 35,6 млрд. долларов, которые иначе пошли бы на закупку нефтепродуктов.

Раньше в Бразилии производили в основном безводный этанол, служивший топливом для автомобилей со специальными двигателями. Но в последнее время Бразилия использует в качестве топлива смеси, в которых содержимое этанола составляет 26% в бензине и 3% в дизельном топливе. Такие смеси не требуют изменений в конструкции двигателей внутреннего сгорания и дизельных двигателей. США также являются крупным промышленным продуцентом топливного этанола. Благодаря его производству США ежегодно экономят 1,5 млрд. долларов на импорте нефтепродуктов.

В крупных городах США (с населением более 1млн. чел.) в зимний период используют лишь бензин, содержащий 10% этанола, так называемый бензин ЕЮ, или газохол. Объем продажи газохола в США составляет 12% от общего объема продажи бензина. Страны ЕС ежегодно производят 2 млрд. литров этанола, но в качестве топлива используется сегодня менее 10%.

Однако ЕС принял законопроект, предусматривающий до 2010 года добавление 5% этанола ко всем видам бензина. Кроме сбережения валюты, применение топливного этанола в виде бензиново-этанольных смесей позволяет существенно уменьшить содержание вредных компонентов в выхлопных газах (угарного газа, закиси азота, окиси азота и прочих летучих токсичных выбросов). Одиннадцать лет назад в США был принят специальный закон, по которому бензин должен содержать не менее 2% (по весу кислорода) кислородосодержащих добавок (главным образом - этанола) для снижения токсичности выхлопа. Чрезвычайно важным, можно сказать глобальным является положительный эффект.

4.3 Водородная энергетика

Энергетическое будущее человечества связывают с «Водородной энергетикой». Ее суть заключается в замене ископаемого топлива водородом. Физический и химический смысл проекта ясен: основная энергия в нефти, газе, каменном угле и дереве сконцентрирована в виде углеводородов - соединений углерода с водородом. И не углерод, а именно водород дает при сжигании топлива наибольшее количество тепловой энергии, превращаемой затем в механическую и электрическую [4,5].

Водорода на Земле огромное количество, причем основные его запасы сосредоточены не в природных углеводородах, а в воде. Но если для получения энергии из нефти, газа, каменного угля и дерева их достаточно сжечь, то с водой так поступить нельзя: слишком прочно связаны в ней водород и кислород. Современной науке известны два основных способа разложения воды на составляющие ее химические элементы: пиролиз, когда воду нагревают до очень высокой температуры, и электролиз, когда через воду пропускают электрический ток.

Однако оба этих способа очень энергоемки, а потому непригодны для получения больших количеств водорода. Но если удастся найти метод легкого разрушения молекул воды, то в технике произойдет настоящий переворот. В реактивных двигателях, двигателях внутреннего сгорания, турбинах, топках котельных установок перестанут сжигать сотни миллионов тонн нефти, угля, природного газа и их производных. Прекратится выброс в атмосферу вредных для жизни продуктов сгорания топлива: ведь выхлоп двигателя, работающего на водороде, - чистая вода. Полезные ископаемые можно будет добывать в гораздо меньших количествах, и использовать только как сырье для химической промышленности, производящей пластмассы, лекарства и другие необходимые людям продукты.

В наши дни проблему промышленного получения дешевого водорода пытаются решить разные специалисты. Химики ищут катализатор, в присутствии которого вода станет разлагаться при меньших затратах энергии. Физики разрабатывают способы получения дешевого электричества, что сделает экономически выгодным электролиз воды. Не остались в стороне и биологи. Они пытаются вывести бактерии, способные разлагать воду на кислород и водород с помощью солнечного света. Учеными давно найдены микроорганизмы, выделяющие водород, но в таком малом количестве, что о промышленном их применении говорить не приходится.

Если же производительность бактерий удастся значительно повысить, то у человечества появится шанс пережить еще одну энергетическую революцию и получить новый, практически неисчерпаемый, к тому же экологически чистый источник энергии.

В настоящее время основным сырьем для производства водорода является природный газ, из которого производят более 90% водорода.

Уже разработаны и внедряются перспективные методы извлечения водорода из водородосодержащих газов различных производств: низкотемпературная конденсация, абсорбция, мембранная технология и др. Производства водорода этими методами значительно экономичнее, чем на специальных установках паровой конверсии углеводородных газов, считающейся наиболее дешевым методом производства водорода. Перспективным источником является уголь. Однако для развития водородной энергетики основным сырьевым источником получения водорода станет вода, для разложения которой должно быть использовано тепло высокотемпературного ядерного реактора.

Водород обладает очень высокой теплотой сгорания: при сжигании 1 г водорода получат от 28,6 кал тепловой энергии (при сжигании 1 г бензина -11,2 кал), его можно транспортировать и распределять по трубопроводам как природный газ. Главным преимуществом водородной энергетики является возможность экономии традиционного энергетического сырья за счет широкого использования водорода в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания (как в чистом виде, так и в виде добавки) и газотурбинных двигателей (авиатранспорт, электроэнергетика).

Испытания показали, что более эффективно использовать водород в виде 5-10% добавки к бензину, поскольку использование чистого водорода ведет к нарушению рабочего процесса двигателя, а также к усложнению хранения большого количества водорода на борту автомобиля. Водородо-бензиновая смесь позволяет повысить топливную экономичность двигателя на 20-25%, снизить эксплуатационный расход бензина на 35-40% и токсичность отработавших газов по окиси углерода в 15-20 раз, по углеводородам в 1,5-2,0 раза и окислам азота в 10-15 раз.

В связи с отсутствием товарных ресурсов водорода на начальном этапе перевод автомобильного транспорта на бензоводородные композиции целесообразно проводить по определенным регионам, в которых имеются либо достаточные ресурсы вторичного водорода, являющегося побочным продуктом химических и нефтехимических производств, либо имеются необходимые ресурсы технологических газов, из которых может быть получен дешевый водород. С целью получения пиковой электроэнергии использование водорода в энергетике необходимо рассматривать одновременно с использованием электроэнергии АЭС для производства водорода электролизом воды с дальнейшим сжиганием его для выработки электроэнергии в часы максимальных нагрузок, либо в паровой турбине, в парогенераторе или в МГД-генераторе. Следует отметить, что расчетные значения затрат на магистральный транспорт водорода на большие расстояния при той же передаваемой мощности оказывается в 3-5 раз ниже затрат на транспорт электроэнергии.

4.4 Персперктивы перехода на альтернативные виды топлива из углеводородых ресурсов в Казахстане

Если перейти к топливным ресурсам Казахстана, то по самым оптимистическим оценкам нефти и газа хватит на 100 лет, урана на 80-90 лет, угля на 3000 лет [2].

Развитие атомной энергетики до сих пор вызывает споры, но ее роль в последующие годы будет постоянно возрастать по мере исчерпания углеводородных ресурсов, поскольку на сегодня другой альтернативы нет.

Таким образом, на ближайшую перспективу выработка электроэнергии будет производиться, в основном, на мощных тепловых станциях, работающих на угле, мазуте и газе. Однако, рано или поздно, природные запасы природного топлива будут исчерпаны, особенно если учесть все возрастающие объемы добычи.

Поэтому становится актуальной проблема создания альтернативной энергетики, которая, если и не заменит существующий способ получения электроэнергии, то, во всяком случае, продлит сроки использования природных запасов топлива.

Ископаемые виды топлива в настоящее время расходуются быстрее, чем их можно добыть из существующих источников. Реализация мер по улучшению энеросбережения интенсифицирует усилия государства и промышленных фирм в области перехода на альтернативные виды топлива и перехода на производственные процессы, использующие те природные ресурсы, которые не являются дефицитом. Промышленность видимо находится сейчас в середине периода перехода на новые источники энергии.

Природный газ в настоящее время обеспечивает около половины потребности промышленности в энергии, но этот природный ресурс становится все более дефицитным, и, возможно, в дальнейшем вообще не будет использоваться в качестве топлива для промышленности. Нефтяное топливо заменяют в настоящее время на природный газ в технологических нагревательных устройствах и котлах, и несмотря на то что увеличение применения нефтяного топлива может противоречить задаче осуществления самообеспечения страны в энергии, промышленность имеет несколько другие альтернативы.

Уголь и атомная энергия являются единственными основными собственными ресурсами топлива, которые имеют достаточно долгосрочные базы обеспечения. В настоящее время находятся на стадии разработки, а в некоторых случаях уже применяются технологические процессы, необходимые для использования этих видов топлива с использованием экономически эффективных и приемлемых с точки зрения окружающей среды способов.

Собсвенные ресурсы угля являются достаточно большими для того, чтобы их считать вполне приемлемой аьтернативой для применения в промышленности на долгосрочную преспективу. Вместе с тем уже в среднесрочной перспективе возникают довольно существенные проблемы, касающиеся использования запасов угля. Эти проблемы имеют отношения к ограничениям, связанным с охраной окружающей среды при добыче и использовании угля, а также с ростом основного капитала в угольной промышленности и с проблемами, возникающими при транспортировке угля. С учетом всех этих факторов очевидно, что снабжение углем для удовлетворения потребности промышленности будет весьма затруднено по крайней мере в течение всего следующего десятилетия[2,12,13].

Однако в краткосрочной перспективе уголь обладает наибольшими возможностями для замены нефтяного и газообразного топлива в перерабатывающих отраслях промышленности. Системы, базирующиеся на использовании угля, которые позволяют соблюдать установленные нормы по предотвращению загрязнения окружающей среды, особенно в отношении двуокиси серы, включают обычные устройства для сжигания угля, в которых используется низкосернистый уголь. При использовании высокосернистого угля необходимо осуществлять мокрую очистку дымовых газов. Кроме того, эти системы включают топки для сжигания высокосернистого угля в кипящем слое, устройства для сжигания низко - и среднекалорийного газа, высококалорийного магистрального газа, угля, очищенного селективными растворителями, отдельных видов жидкого котельного топлива, метанола, полученного путем переработки угля.

Непосредственное сжигание угля в промышленных котлах и технологических нагревателях будет более экономичным, чем сжигание синтетических видов топлива, полученных на базе переработки угля. Существуют три метода непосредственного использования угля для выработки пара или технологического тепла, приемлемые с точки зрения охраны окружающей среды; сжигание низкосернистого угля, сжигание угля в топках с кипящим слоем и сжигание высокосернистого угля с мокрой очисткой дымовых газов.

Наиболее реалистичной альтернативой использования угля является сжигание низкосернистого угля в обычных котлах. Самым многообещающим способом использования высокосернистого угля является его сжигание в топках котлов с кипящим слоем. Этот способ гибок в отношении снабжения топливом и затраты на его осуществление низки. Сжигание с использованием кипящего слоя может также обеспечить многообещающие результаты и при технологическом нагреве, но пока выполняется очень небольшой объем по разработке технологических нагревателей с кипящим слоем.

Уголь, применяемый для непосредственного сжигания, будет использоваться в качестве топлива для паровых котлов и давать экономические преимущества, главным образом, тем агрегатам, которые производят более 45,4 т пара/ч. Существуют, однако, две главные проблемы, встречающиеся при увеличении использования угля для непосредственного сжигания. Первая проблема заключается в отсутствие простых и надежных систем для подготовки и сжигания угля у средних и мелких потребителей. Вторая проблема заключается в отсутствие усовершенствованных процессов, обеспечивающих сжигание угля приемлемыми для окружающей среды способами всеми потенциальными промышленными потребителями угля.

Для производства на базе угля газообразных и жидких видов топлива можно использовать несколько технологических процессов, некоторые из которых также применимы для получения жидких и газообразных продуктов из нефтяных сланцев и органических отходов.

В таблицах 4.1 и 4.2 приводятся значения к. п. д. переработки угля при осуществении различных процессов. Некоторые из этих процессов уже нашли промышленное применение, в то время как для внедрения других необходимо провести большую работу. Затраты на их осуществление должны быть сокращены еще до того, как можно будет ожидать их широкого внедрения.

Таблица 4.1 - К. п. д. переработки угля при осуществлении различных процессов производства синтетического топлива

Вид топлива

Значение к. п. д.

Механически очищенный уголь

Уголь, очищенный селективными растворителями

Жидкое топливо.

Высококалорийный газ

Низкокалорийный газ.

80-90

90-95

70-75

85-90

Обычно существующие котлоагрегаты, сжигающие один какой-либо вид топлива, не требуют видоизменения для сжигания синтетического топлива того же типа. Например, проблемы, которые возникают в результате необходимости сжигания жидкого топлива, полученного в результате переработки угля, в котлоагрегатах, рассчитанных на сжигание нефтяного топлива, не сложны. Однако переход с одного типа естественного топлива на другой тип синтетического топлива потребует внесения изменений как в сам котлоагрегат, так и в систему подачи и сжигания топлива [12,13,14].

Таблица 4.2 - Расчетные характеристики синтетических видов топлива на базе переработки угля

Вид топлива

Теплота сгорания

Содержание золы, %

Содержание серы, %

Механически очиш. уголь

Уголь, очиш. селективными растворителями

Синтетическое жидкое топл. (мазут)

Низкокалорийный газ

Среднекалорийный газ

Высококалорийный газ

31 138 кДж/кг

37 181 кДж/кг

39 632 кДж/л

5 652 кДж/м³

11 304 кДж/м³

35 795 кДж/м

7,0

0,1

1,0

0,8

0,2

Следы

Вероятно, нет такой другой области, которая бы располагала таким большим потенциалом энергосбережения, как сжигание отходящих технологических газов и остатков. В промышленности утилизация вторичных горючих энергетических ресурсов может оказаться ключевым источником энергосбережения, а также средством уменьшения загрязнения окружающей среды в результате выбросов технологических отходов. Однако, утилизация отходящих вторичных горючих энергетических ресурсов в некоторых случаях могут помешать ограничения, связанные с охраной окружающей среды и если не принять меры для осуществления альтернативных вариантов со сжиганием непромышленных видов топлива, этот полезный источник энергии можент быть потерян.

Имеются значительные возможности для использования технологического тепла, вырабатываемого на базе использования атомной энергии. Несмотря на то, что пар можно вырабатывать при помощи атомной энергии с наиболее низкими затратами по сравнению с любым другим вариантом, учет особенностей, имеющихся в настоящее время ядерных реакторов, а также необходимость иметь высокую мощность для их экономичного применения ограничивают потенциал промышленного использования такого варианта.

При оценке возможности применения тех или иных видов синтетического топлива в любом промышленном процессе необходимо учитывать как их физической, так и химический состав в связи с тем, что нет таких двух видов топлива, кторые бы обладали одинаковыми физическими и химическими свойствами и вели себя одиноково при сжигании в промышленных агрегатах. Более того, вплоть до настоящего времени в настоящего времени в наличии очень мало альтернативных видов синтетического топлива, вследствие чего имеется очень небольшая информация о их свойствах при сжигании. Замена новыми видами обычных видов топлива зависит от следующих основных критериев: относительной интенсивности выделения тепла; эпюры распределения температур горения; величины зоны горения относительно общего объема печи; стабильности горения; влияния продуктов горения на продукцию, выпускаемую в технологическом процессе; относительных выбросов, загрязняющих окружающую среду.

Важное значение имеет использование возобновляемых источников энергии, к которым относятся для республики Казахстан энергия ветра и солнца.

5 Нетрадиционные источники энергии в электроэнергетике

5.1 Классификация нетрадиционных источников энергии

Уровень потребления энергии в слаборазвитых странах (где проживает 2/3 населения Земли) в десятки раз меньше, чем в индустриально развитых. Если тенденция выравнивания уровней будет продолжаться, то даже без учета роста удельного потребления в передовых странах общие потребности в энергии вырастут в несколько раз и к 2020 году достигнут 34 млрд. т. условного топлива. Поэтому сейчас все труднее сохранять высокий темп развития энергетики путем использования лишь традиционных ископаемых источников энергии [9, 15,16,17].

Даже допуская, что промышленные запасы существенно возрастут благодаря открытию новых месторождений, геологи приходят к выводу, что к 2030-2040 гг. будет исчерпано 80% разведанных мировых запасов нефти. Запасов угля гораздо больше, чем нефти и природного газа, однако они так же не безграничны. В отличие от нефти потребление угля существенно увеличилось не только в развивающихся, но и в промышленно развитых странах. По существующим прогнозам, если потребление угля будет расти нынешними темпами, то его запасов не хватит и на 200 лет.

Безудержный рост энергетики, использующей природные запасы топлива, еще и очень опасен - он может вызвать тепловой «перегрев» Земли и необратимые изменения климата. Рост энергопотребления может привести к увеличению температуры на поверхности Земли. Нарушение энергобаланса планеты может привести к опасным, необратимым изменениям климата. Нашему будущему из-за атомной, газовой, нефтяной и угольной энергетики грозит не только исчерпание источников, но, прежде всего, «тепловое загрязнение» планеты.

Поэтому во всем мире проявляется усиленное внимание к разработке и применению нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) и вторичных энергетических ресурсов. К данным источникам энергии относится солнечная, ветровая и геотермальная энергия, энергия морских приливов и волн, энергия биомассы, низкопотенциальная энергия окружающей среды, а также энергия малых ГЭС мощностью до нескольких десятков МВт с генераторами мощностью до 10 МВт. Как видно из рисунка 5.1 нетрадиционные источники энергии делятся на возобновляемые (ВИЭ) и вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) [9].

Основными, положительными свойствами НВИЭ являются отсутствие топливной составляющей, экологическая чистота и практически повсеместная распространенность большинства из них и возможность получения как тепловой, так и электрической энергии. Кроме того, применение нетрадиционных возобновляемых источников электроэнергии, обусловлено необходимостью замещения топливной составляющей и получения дополнительной электроэнергии.

Возобновляемые и альтернативные источники составляют сегодня малую часть, однако, их ресурсы весьма значительны, поэтому имеющийся баланс используемых источников энергии необходимо существенно изменить.

Рисунок 5.1 - Нетрадиционные источники энергии

5.2 Значение возобновляемых источников энергии в электроэнергетике

В развитых странах темпы роста основных отраслей возобновляемой энергетики (ВЭ) весьма высоки и составляют до 63% в год. Возобновляемая энергетика основана главным образом на нескольких формах: ветроэнергетика, солнечные тепловые низкопотенциальные системы, фотоэнергетика, биогаз, малая электроэнергетика, геотермальная энергетика.

В 2006 году инвестиции в ВЭ распределились следующим образом (см. рисунок 5.2): 38% - ветроэнергетика; 21% - горячее водоснабжение за счет энергии Солнца; 24% - фотоэлектрика; оставшиеся 17% - малые ГЭС, биомасса и геотермальная энергия. Около 40% мощностей ВЭ находится в развивающихся странах. При сохранении нынешних темпов уже к 2050 году возобновляемые источники энергии смогут обеспечить 50% мирового потребления первичной энергии [9].

1- ветроэнергетика

2- фотоэлектрические системы

3- Солнечные тепловые системы

4- Малые ГЭС, биомасса и геотермальная энергетика

Рисунок 5.2 - Инвестиции в возобновляемую энергетику в 2006 году

В последние три года ежегодные темпы роста производства оборудования для ветровой и солнечной энергетики составляют более 30%, тогда как мировая экономика в целом растет на 4% в год. В 2003 году в возобновляемую энергетику было инвестировано 22 млрд. долларов, в 2005-м - уже 30 млрд. долларов. Для сравнения: общий объем инвестиций в электроэнергетический сектор составляет приблизительно 120-160 млрд. долларов в год. Сегодня в возобновляемую энергетику инвестируют не только нефтяные гиганты, такие, как British Petrjleum, Sheit, но и компании, не имеющие отношения к энергетической сфере, например, Toshiba, General Elektrik, Mitsubishi. Фактически, это признание ВЭ инвестиционно выгодной и перспективной отраслью.

В этой связи, если в 1980 г доля производимой электроэнергии на ВИЭ в мире составляла 1 %, то по оценке Американского общества инженеров-электриков, к 2010г. она достигнет 8%, к 2020 - 13%, а к 2060 г. - 33%. По данным Министерства энергетики США, в этой стране к 2020 г. объем производства электроэнергии на базе ВИЭ может возрасти с 11% до 22%. В странах Европейского Союза планируется увеличение доли использования ВИЭ для производства тепловой и электрической энергии с 6% (1996г.) до 12% (2010г.). Исходная ситуация в странах ЕС различна. И если в Дании доля использования ВИЭ с 3 % в 2000 году достигла 10%, то Нидерланды планируют увеличить долю ВИЭ с 3% в 2000г до 10% в 2020г. Основной результат в обшей картине определяет Германия, в которой планируется увеличить долю ВИЭ с 5,9% в 2000г. до 12% 2010г. в основном за счет энергии ветра, солнца и биомассы. Масштабы роста использования ВИЭ в мире представлены в таблице 5.1.

Таблица 5.1 - Масштабы роста установленной мощности ВИЭ в мире, ГВт

Вид оборудования или технологии	2000 г	2010г.
Ветроустановки, подключенные к сети	14	74
Малые ГЭС	70	175
Электростанции на биомассе	18	92

Таким образом, главными причинами, обусловившими развитие ВИЭ, являются:

а) обеспечение энергетической безопасности;

б) сохранение окружающей среды и обеспечение экологической
безопасности;

в) завоевание мировых рынков ВИЭ, особенно в развивающихся странах;

г) сохранение запасов собственных энергоресурсов для будущих поколений;

д) увеличение потребления сырья для неэнергетического использования топлива.

5.3 Термодинамические Солнечные электрические станции

Среди всех источников энергии солнечная радиация по масштабам ресурсов, экологической чистоте и повсеместной распространенности наиболее перспективна. Общая мощность солнечной радиации, достающаяся на долю нашей планеты, составляет 1.7-10¹⁴ кВт-ч, что более чем в 14000 раз больше современного мирового энергопотребления. Если суммировать всю солнечную энергию, которую наша планета получает за один год, то это примерно в 10 раз больше энергии всех разведанных и прогнозируемых ископаемых топлив, включая и расщепляющиеся вещества [9,15,17].

Каждый час на каждый квадратный метр земной поверхности интенсивность солнечного излучения в зависимости от географически положения местности изменяется от 2300 кВт·ч/м² в Африке до 700 кВт·ч/м² в Скандинавии или Исландии (см. рисунок 5.3).

Гелиоэнергетические программы приняты более чем в 70 странах – от северной Скандинавии до выжженных пустынь Африки. Устройства, использующие энергию солнца, разработаны для отопления, освещения и вентиляции зданий, небоскрёбов, опреснения воды, производства электроэнергии. Такие устройства используются в различных технологических процессах. Появились транспортные средства с "солнечным приводом": моторные лодки и яхты, солнцелеты и дирижабли с солнечными панелями. Солнцемобили, вчера сравниваемые с забавным автоаттракционом, сегодня пересекают страны и континенты со скоростью, почти не уступающей обычному автомобилю.

Солнечная энергия преобразуется в электрическую на солнечных электрических станциях (СЭС), имеющих специальное оборудование для улавливания солнечной энергии, и ее последовательного преобразования в теплоту и электроэнергию.

Рисунок 5.3 - Средняя многолетняя годовая сумма прямого солнечного излучения на

горизонтальную поверхность, МДж/м²

Существует два метода преобразования энергии солнца в электричество:

а)     термодинамический – сконцентрированная солнечная энергия используется

для получения пара, который подается на турбогенератор, вырабатывающий электроэнергию.

б)    фотоэлектрический – электромагнитное излучение оптического диапазона

Солнца превращается в электроэнергию постоянного тока.

Термодинамический метод преобразования осуществляется на гелиоэлектростанциях (ГЕЭС). На этих станциях применяются солнечные установки, использующие солнечное высококонцентрированное излучение для приведения в действие двигателей тепловых и др. машин (паровой, газотурбинной, термоэлектрической и др.) т.е. с помощью гелиоустановок осуществляется непрямое преобразование солнечной энергии в электрическую.

Фотоэлектрическое преобразование производится на солнечных фотоэлектрических станциях,

использующих фотоэлектрические преобразователи, преимущественно кремниевые.

В данном случае осуществляется непосредственное преобразование солнечной энергии в электрическую.

Важным компонентом ГЕЭС являются концентраторы солнечного излучения. Технически концентрацию можно осуществлять с помощью различных оптических элементов- зеркал, линз, световодов и пр., однако, при высоких уровнях мощности концентрируемого излучения практически целесообразно использовать лишь зеркальные отражатели, поскольку линзы тяжелы, дороги и трудны в изготовлении. Зеркала в установках используются либо традиционные – стеклянные, либо из полированного алюминия.

Сфокусировать солнечные лучи лучше всего можно и с помощью вогнутого зеркала. Оно является основной частью гелиоконцентратора, прибора, в котором солнечные параллельные лучи собираются с помощью вогнутого зеркала. Если в фокус зеркала поместить трубу с водой, то она нагреется. Таков принцип действия солнечных преобразователей прямого действия.

Основным энергетическим показателем концентратора солнечного излучения является коэффициент концентрации, который определяется как отношение средней плотности сконцентрированного излучения к плотности лучевого потока, падающего на отражающую поверхность при условии точной ориентации на Солнце.

Концентрирующая способность реальных систем определяется, прежде всего, геометрией концентратора и угловым радиусом солнечного диска. Существенно на неё влияет и отражательная способность зеркальной поверхности, особенно в случае многократных отражений.

Высокопотенциальные системы концентрации должны иметь конфигурацию, близкую к форме поверхностей вращения второго порядка – параболоида, эллипсоида, гиперболоида или полусферы. Только в этом случае может быть достигнута необходимая плотность излучения, в сотни и тысячи раз превышающая солнечную постоянную величину.

Наиболее эффективные концентраторы солнечного излучения имеют форму: цилиндрического параболоида, параболоида вращения, плоско-линейной линзы Френеля. Параболоидная конфигурация имеет явное преимущество перед другими формами по величине концентрирующей способности. Поэтому именно они столь широко распространены в гелиотехнических системах. Оптимальный угол раскрытия реальных параболоидных концентраторов, в отличие от угла идеального параболоидного концентратора (45^о), близок к 60^о. Солнечная энергия может непосредственно преобразовываться в механическую. Так, например, если в фокусе параболического зеркала диаметром 1,5м установить динамический преобразователь, работающий по циклу Стирлинга (двигатель внешнего сгорания, например, паровоз), то получаемой мощности достаточно, чтобы поднимать с глубины 20м 2м³ воды в час. В реальных гелиосистемах плоско-линейная линза Френеля используется редко из-за ее высокой стоимости.

Солнечные гелиоэлектростанции бывают двух типов:

1) СЭС башенного типа – с центральным приемником-парогенератором, на поверхности которого концентрируется солнечное излучение от плоских зеркал-гелиостатов;

2) СЭС распределенного (модульного) типа, в которых в фокусе параболоцилиндрических концентраторов размешаются вакуумированные приемники – трубы с теплоносителем (парогенератор). Такая СЭС мощностью 12,5МВт построена в США. Однако строительство модульных СЭС как большой, так и маленькой мощности нерентабельно. Поэтому их применение более не практикуется.

Существуют также комбинированные СЭС – солнечно-тепловые электростанции (СТЭС), производящие электрическую и тепловую энергию. Электростанции того и другого типа объединяется с теплоэлектроцентралью.

Наиболее распространенным типом СЭС является башенный тип.

Идея, лежащая в основе работы СЭС башенного типа, была высказана более 350 лет назад, однако, строительство СЭС этого типа началось только в 1965г., а в 80-х гг. был построен ряд мощных солнечных электростанций в США, Западной Европе, СССР и в других странах.

В 1985г. в п. Щелкино Крымской области была введена в эксплуатацию первая в СССР солнечная электростанция СЭС-5 электрической мощностью 5МВт. Схема Крымской СЭС изображена на рисунке 5.4.

1600 гелиостатов (плоских зеркал) площадью 25,5м² каждый, имеющих коэффициент отражения 0,71, концентрируют солнечную энергию на центральный приемник в виде открытого цилиндра, установленного на башне высотой 89м и служащего парогенератором.

1 – солнечные лучи; 2 – парогенератор – гелиоприемник; 3 – пароводяной аккумулятор энергии вместимостью 500м; 4 – гелиостаты с площадью зеркал 25,5м (их общее количество – 1000шт)

Рисунок 5.4 – Схема Крымской СЭС мощностью 5000Вт

В башенных СЭС используется центральный приемник с полем гелиостатов, обеспечивающим степень концентрации в несколько тысяч. Система слежения за Солнцем сложна, так как требуется вращение вокруг двух осей. Управление системой осуществляется с помощью ЭВМ. В качестве рабочего тела в тепловом двигателе обычно используется водяной пар с температурой до 550^оС, воздух и другие газы – до 1000^оС, низкокипящие органические жидкости (в том числе фреоны) – до 100^оС, жидкометаллические теплоносители – до 800^оС.

Главным недостатком башенных СЭС являются их высокая стоимость и большая занимаемая площадь. Так, для размещения СЭС мощностью 100МВт требуется площадь в 200га, а для АЭС мощностью 1000МВт – всего 50га. Башенные СЭС мощностью до 10МВт нерентабельны, их оптимальная мощность равна 100МВт, а высота башни 250м.

На рисунке 5.5 изображена схема нагрева в солнечной турбогенераторной установке, использующей двухмерные параболические зеркала, которые концентрируют тепловые лучи на трубах кипятильника.

1 – параболическое зеркало; 2 – трубка кипятильника; 3 – турбина; 4 – генератор; 5 – излучатель; 6 – насос; 7 – поглощающий слой; 8 – слабо излучающее покрытие.

Рисунок 5.5 - Схема солнечной турбогенераторной установки

На той части трубы, которая воспринимает отраженные лучи, делается покрытие специальным поглощающим слоем, например, окисью меди. Остальная поверхность трубы покрыта слабо излучающим веществом, например, серебром, с тем, чтобы уменьшить потери тепла. Наружные поверхности зеркал можно использовать как излучатели. Это повысит компактность системы. По расчетам такая установка при работе на парах ртути и максимальной температуре цикла 500°С может дать примерно 0,3 КВт мощности с каждого квадратного метра зеркальной поверхности.

Известны СЭС на базе солнечных прудов, которые значительно дешевле СЭС других типов, т.к. они не требуют зеркальных отражателей со сложной системой ориентации.

Однако их можно сооружать только в районах с жарким климатом. В солнечном пруду происходит одновременное улавливание и накапливание солнечной энергии в большом объеме жидкости. Обнаружено, что в некоторых естественных соленых озерах температура воды у дна может достигать 70^оС. Это обусловлено высокой концентрацией соли. В обычном водоеме поглощаемая солнечная энергия нагревает в основном поверхностный слой, и эта теплота довольно быстро теряется, особенно в ночные часы и при холодной ненастной погоде из-за испарения воды и теплообмена с окружающим воздухом. Солнечная энергия, проникающая через всю массу жидкости в солнечном пруду, поглощается окрашенным в темный цвет дном и нагревает прилегающие слои жидкости, в результате чего температура ее может достигать 90-100^оС, в то время как температура поверхностного слоя остается на уровне 20^оС. Благодаря высокой теплоемкости воды в солнечном пруду за летний сезон накапливается большое количество теплоты, и вследствие низких тепловых потерь падение температуры в нижнем слое в холодный период года происходит медленно, так что солнечный пруд служит сезонным аккумулятором энергии. Теплота к потребителю отводится из нижней зоны пруда.

Обычно глубина пруда составляет 1-3м. Схема солнечного пруда изображена на рисунке 5.6. На 1м ² площади пруда требуется 500-1000кг поваренной соли, ее можно заменить хлоридом магния.

1 – пресная вода; 2 – изолирующий слой с увеличивающейся к низу концентрацией; 3 – слой горячего раствора; 4 – тепообменник.

Рисунок 5.6 – Схема солнечного пруда

Наиболее крупный из существующих солнечных прудов находится в местечке Бейт-Ха-Арава в Израиле. Его площадь составляет 250000м². Он используется для производства электроэнергии. Электрическая мощность энергоустановки, работающей по циклу Ренкина, равна 5МВт. Себестоимость 1кВт·ч электроэнергии значительно ниже, чем на СЭС других типов.

Описанный эффект достигается благодаря тому, что по глубине солнечного пруда поддерживается градиент поваренной соли, направленный сверху вниз, т.е. весь объем жидкости как бы разделен на три зоны, концентрация соли по глубине постепенно увеличивается и достигает максимального значения на нижнем уровне. Толщина этого слоя составляет 2/3 общей глубины водоема. В нижнем конвективном слое концентрация соли максимальна и равномерно распределена в объеме жидкости. Итак, плотность жидкости максимальна у дна пруда и минимальна у его поверхности в соответствии с распределением концентрации соли.

Солнечный пруд служит одновременно коллектором и аккумулятором теплоты и отличается низкой стоимостью по сравнению с обычными коллекторами солнечной энергии. Отвод теплоты из солнечного пруда может осуществляться либо посредством змеевика, размещенного в нижнем слое жидкости, либо путем отвода жидкости из этого слоя в теплообменник, в котором циркулирует теплоноситель. При первом способе меньше нарушается температурное расслоение жидкости в пруду, но второй способ теплотехнически более эффективен и экономичен.

          Солнечные пруды могут быть использованы в гелиосистемах отопления и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий, для получения технологической теплоты, в системах конденсирования воздуха абсорбционного типа, для производства электроэнергии.

Для размещения солнечных электростанций лучше всего подходят засушливые и пустынные зоны. При этом на поверхность самых больших пустынь мира общей площадью 20 млн. км² (площадь Сахары 7 млн. км²) за год поступает около 5·10¹⁶кВт·ч солнечной энергии. При эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую, равной 10%, достаточно использовать всего 1% территории пустынных зон для размещения СЭС, чтобы обеспечить современный мировой уровень энергопотребления.

5.4 Солнечные фотоэлектрические станции

Принцип действия солнечных фотоэлектрических станций (СФЭС) основан на явлении фотоэффекта [9,15,17].

Фотоэлектрические станции бывают двух типов:

- соединенные с промышленной электрической сетью;

- автономные.

СФЭС могут применяться и как резервные системы, которые подключаются к сетям низкого качества. И в случае отключения сети или недостаточного качества сетевого напряжения нагрузка частично или полностью покрывается солнечной системой.

При условии подключения достаточного количества фотоэлектрических

модулей, определенная часть нагрузки может питаться от солнечного электричества. Составляющими элементами соединенных с сетью фотоэлектрических систем являются: солнечные панели (из одного или многих модулей), инвертор, сеть, нагрузка, кабели и прочая поддерживающая структура. Схема такой станции представлена на рисунке 5.7.

Рассмотрим назначение основных компонентов фотоэлектрических станций:

1) Источник энергии – солнечная фотоэлектрическая батарея.

2) Аккумуляторная батарея. В системах на возобновляемых источниках энергии, в силу непостоянства возобновляемого ресурса, это необходимый элемент. Даже если дополнительным источником энергии является жидко-топливный генератор (бензо- либо дизель-электрический), наличие аккумуляторной батареи позволит включать его на непродолжительное время в течение дня, а электроэнергию иметь непрерывно.

3) Инвертор, т.е. преобразователь постоянного тока в переменный. Необходим, если есть потребители переменного тока на напряжение 220В- 380В, или если потребители находятся на значительном расстоянии от АБ (потери в проводах постоянного тока низкого напряжения могут оказаться существенными).

4) Контроллер заряда АБ. Необходим для предотвращения перезаряда и переразряда АБ. Очень часто контроллер бывает встроен в инвертор.

5) Электротехническое оборудование - щиты, выключатели, автоматы, предохранители, кабели, система заземления и т.д.

6) Нагрузка. В автономной системе электроснабжения необходимо использовать только энергоэффективные приборы. Например, использование ламп накаливания очень не рекомендуется, так как они потребляют ток в 4 раза больший, чем люминесцентные лампы. Несмотря на то, что энергоэффективные приборы дороже, их использование может обернуться значительной экономией за счет снижения мощности источника энергии и емкости АБ.

Рисунок 5.7 – Схема фотоэлектрической станции, соединенной с промышленной электрической сетью

Европейский Союз поставил своей целью удвоить долю возобновляемых источников энергии к 2012 г. Одним из важных компонентов является производство 1 млн фотоэлектрических систем (500000 встроенных в крыши зданий и экспорт 500000 сельских систем) общей установленной мощностью 1 ГВт. Фирма "BP Amoco" (один из мировых лидеров продаж нефтепродуктов) собирается использовать солнечную энергию на 200 своих новых станциях обслуживания в Британии, Австралии, Германии, Австрии, Швейцарии, Нидерландах, Японии, Португалии, Испании, Франции и США. Программа стоимостью 50 млн долларов включает в себя применение солнечных панелей, общей мощностью 3,5 МВт и снижение выбросов углекислого газа на 3500 тонн ежегодно. Благодаря этому проекту "BP Amoco" станет одним из крупнейших в мире потребителей солнечного электричества, а также одним из крупнейших производителей солнечных элементов и модулей. Солнечные панели будут вырабатывать больше электричества, чем нужно для освещения и водяных насосов, поэтому система будет подключена к сети. Днем излишек электроэнергии будет подаваться в сеть, а ночью из нее будет пополняться недостаток энергии. Мировой рынок фотоэлементов к 2012 году должен составить 1000 МВт, а к 2050 г. - 5 млн МВт.

5.5 Ветроэнергетические установки и станции

Энергия ветра очень велика. Ее запасы в мире, по оценке Всемирной метеорологической организации, составляют 170 трлн. кВт/час в год. Эту энергию можно получать, не загрязняя окружающую среду [9].

Поэтому ветроэнергетика сегодня - быстро развивающейся сектор мировой энергетики. Следует сказать, что стоимость строительства ветроэлектрической станции (ВЭС) сопоставима с ценой угольной электростанции. В то же время электроэнергия от ВЭС не зависит от стоимости топлива, что является её неоспоримым преимуществом.

В ветроэнергетической установке (ВЭУ) для преобразования энергии ветра во вращательное движение служит ветроприемное устройство, имеющее такую конфигурацию, благодаря которой в ветровом потоке возникают несимметричные силы. При этом для получения энергии ветра применяют самые разные конструкции: многолопастные «ромашки»; винты вроде самолетных пропеллеров с тремя, двумя и даже одной лопастью (тогда у неё есть груз-противовес); вертикальные роторы, напоминающие изрезанную вдоль и насажанную на ось бочку, некое подобие «вставшего дыбом» вертолетного винта, наружные концы его лопастей загнуты вверх и соединены между собой.

В зависимости от ориентации оси вращения по отношению к направлению ветрового потока ветроприемные устройства могут быть с горизонтальной и вертикальной осью вращения. В ВЭУ с горизонтальной осью вращения направление ветрового потока, параллельно оси вращения, а с вертикальной осью вращения направлению ветрового потока, перпендикулярно этой оси.

Установки с вертикальной осью вращения лишены проблемы ориентировки на ветер, так как улавливают ветер любого направления, остальным приходится разворачиваться по ветру. Одни из них получили признание за счет низкой стартовой скорости (1-2 м/с), но не широко распространены благодаря низкому КПД ветро-ротора (15-18%).

Ветро-турбины (пропеллеры) с горизонтальной осью вращения - одни из самых распространенных благодаря традициям, сложившимся за годы развития ветроэнергетики. Однако у этих машин есть один существенный недостаток - они долго "думают", прежде чем развернуть свои лопасти "на ветер", направление которого меняется каждую секунду.

В мире сейчас работает более 30 тыс. ветроэлектрических установок (ВЭУ) разной мощности. Так, Германия получает от ветра 10 % своей электроэнергии, а всей Западной Европе ветер даёт 2500 МВт электроэнергии. Установленная мощность ветроустановок в мире увеличилась с 6172 МВт в 1966 г. до 12 000 МВт в 1999г., прогноз на 2010 г. - 36 000 МВт. Страны-лидеры: Германия, США, Дания, Испания, Индия.

На рисунке 5.8 приведена структурная схема типовой ветроэнергетической установки с горизонтальной осью вращения.

Рисунок 5.8 - Схема типовой ВЭУ с горизонтальной осью вращения

Системная ветроэнергетика в мире представляет собой направление, с которым, прежде всего, связывается крупномасштабное использование энергии ветра. При этом предполагается использование ВЭУ мощностью более 100 кВт, главным образом, мощностью в несколько мегаватт, являющийся предельной по современным понятиям.

В настоящее время ВЭУ мощностью 100 кВт и выше построены в США, Канаде, ФРГ, Дании, Швеции, Нидерландах, Великобритании, Франции, ВЭУ мегаваттного класса построены в США, Швеции и ФРГ, создаются в Великобритании и Канаде. Однако, мощные ВЭУ не прошли опытной эксплуатации и еще не ясно, готова ли современная наука и техника к созданию надежных и долговечных ВЭУ мощностью в несколько мегаватт с ветроколесами диаметром около 100 м. Параллельно с созданием и испытанием опытных ВЭУ проводятся работы по поиску более рациональных схем мощных ВЭУ, их узлов и систем. Активные исследования проводятся по использованию ВЭС в энергосистемах.

Сфера экономически целесообразного применения ветроэнергетических установок в современных условиях ограничивается в основном, районами, имеющими децентрализованное энергоснабжение и благоприятные ветровые условия с возможностью эксплуатации ветроэнергетических установок в течение большей части года. Трудности, естественно, возникают в периоды длительного затишья или слабого ветра.

Поэтому для ветроэнергетики является законом считать районы со среднегодовой скоростью ветра менее 5 м/с малопригодными для размещения ветроэнергетических, а со скоростью более 8 м/с - очень хорошими. Но независимо от этого, во всех случаях требуется тщательный выбор параметров ветроустановки применительно к местным метеоусловиям. Важнейшие требования, предъявляемые к ветроэлектрическим генераторам для ВЭУ - простота конструкции и высокая эксплуатационная надёжность. Следует отметить специфические особенности ветроэнергетики, определяющие дополнительные требования к генераторам для ВЭУ. Поскольку ветроэлектрический генератор имеет низкую номинальную частоту вращения вала, которая определяется оптимальной расчётной скоростью ветра и конструктивными параметрами ветроколеса, то уже при расчётной скорости ветра 10 м/с и диаметре ветроколеса 6м трудно получить номинальную частоту вращения вала генератора свыше 350 об/мин. [16,17]. Поэтому при выборе генератора для ВЭУ следует идти по пути снижения номинальной частоты вращения ротора генератора, с учётом оптимизации схемы преобразования энергии по массе, КПД и стоимости.

Чтобы как-то компенсировать изменчивость ветра, сооружают огромные «ветряные фермы». Ветроэлектрические генераторы там стоят рядами на обширном пространстве, и они работают на единую сеть. На одном краю «фермы» может дуть ветер, на другом в это время тихо. Ветряки нельзя ставить слишком тесно, чтобы они не загораживали друг друга. Поэтому «ферма» занимает много места. Такие «фермы» есть в США, во Франции, в Англии, а в Дании «ветряную ферму» разместили на прибрежном мелководье Северного моря: там она никому не мешает и ветер устойчивее, чем на суше.

Чтобы снизить зависимость от непостоянного направления и силы ветра, в систему включают маховики, частично сглаживающие порывы ветра, и разного рода аккумуляторы. Чаще всего они электрические. Но применяют также воздушные (ветряк нагнетает воздух в баллоны; выходя оттуда, его ровная струя вращает турбину с электрогенератором) и гидравлические (силой ветра вода поднимается на определенную высоту, а падая вниз, вращает турбину). Ставят даже электролизные аккумуляторы. Ветряк дает электрический ток, разлагающий воду на водород и кислород. Их запасают в баллонах и по мере необходимости сжигают в топливном элементе, т. е. в химическом реакторе, где энергия горючего превращается в электричество, либо в газовой турбине, вновь получая ток, но уже без резких колебаний напряжения, связанных с капризами ветра.

Таким образом, с точки зрения динамики использования ветроэнергетики в мире, отмечается рост её потребления. По данным, представленным менеджером проекта ООН Г. Дорошиным, если в 1994 году было всего 5 тыс. мегаватт установленной мощности, то в 2005 году суммарная мощность ветроустановок в мире составила уже 60 мегаватт, ежегодный рост составляет примерно 25%. К 2030 году предполагается что показатель достигнет 230 тыс. мегаватт. Около 40 стран уже использует ВЭС. Развитие ВЭС, по его данным, коммерчески апробировано, и стоимость электроэнергии от ВЭС по мере того как ветряные электростанции окупаются, а их конструкции совершенствуются уже сопоставима с обычными источниками.

5.6 Гибридные системы электроснабжения

К ним относят системы, представляющие собой комбинацию фотоэлементов с ветроэлектрической установкой (см. рисунок 5.9).

Рисунок 5.9 - Структурная схема гибридной системы в составе централизованного электроснабжения

У этих систем более высокий коэффициент производительности (0,5 - 0,7), так как размер фотоэлектрической системы соответствует необходимой нагрузке летом, а зимой и в ненастную погоду их дополняет другая система – ветроэлектрическая установка. При этом использование ветроэлектрического генератора означает, что для обеспечения потребности в электричестве требуется меньшее количество фотоэлектрических модулей и батарей.

При наличии системы централизованного электроснабжения для обеспечения надежного питания лучше использовать ветроэлектрические генераторы и солнечные коллекторы большой мощности, так как при избытке электроэнергии ее можно отдавать в энергосистему, а потребление будет осуществляться согласно графику нагрузки.

Экономическая эффективность данных систем будет определяться соотношением капитальных затрат на установку одного кВт мощности, эксплуатационными расходами на единицу электроэнергии, экологической составляющей, замещением топливной составляющей и удаленностью потребителя.

5.7 Микро и мини гидроэлектростанции

Энергия воды является возобновляемым видом энергии, но в настоящее время уже освоено более 50 % ее «запасов», а строительство крупных ГЭС на больших равнинных реках вряд ли целесообразно по экологическим и природоохранным соображениям. Использование энергии малых рек не всегда и не везде возможно и не может решить проблему выработки электроэнергии в больших количествах. Тем не менее целесообразность использования ГЭС мощностью до нескольких десятков МВт с генераторами мощностью до 10 МВт в предгорных и горных районах не вызывает сомнений [17]. К тому же самая дешевая из существующих ВИЭ на сегодня - гидроэнергетика. Экономический потенциал микро и мини ГЭС составляет примерно 10% от общего экономического потенциала возобновляемых источников энергии.

Большое значение имеют малые гидроэлектростанции, мощность которых составляет менее 10 MBт. Некоторые из них предусматривают использование существующих ирригационных каналов, что потребует меньших затрат, ресурсов и времени на их осуществление. Возможно сооружение каскадов экологически чистых мини-ГЭС без подпорных плотин при большом гидроэнергетическом потенциале горной местности.

На рисунке 5.10 приведена схема деривационной гидроэлектростанции, в которой вода - 2 от основной плотины - 7 через водозаборную и подпорную плотины - 1 и 3 подается по направляющей системе (трубопроводу) - 4 к гидрогенераторам мини ГЭС - 5 находящейся по уровню ниже с последующим сливом в русло реки - 6.

в)

а — план гидроузла; б — схема создания напора; в - общий вид.

Рисунок 5.10 - Схема деривационной гидроэлектростанции

Следовательно, строительство малых ГЭС при наличии соответствующих ресурсов не вызывает возражений, и проблема заключается только в экономической целесообразности использования энергии малых рек с учетом возможных изменений водотока и условий строительства.

5.8 Геотермальные и петротермальные системы

Получение тепловой энергии для горячего водоснабжения и отопления уже вышло за рамки экспериментов и исследований. Значительные успехи достигнуты и по использованию низкопотенциального тепла окружающей среды с помощью теплонасосных установок, в которых при расходе единицы электрической энергии получают 3-4 единицы тепловой, что выгоднее, чем прямой нагрев [9,17].

Анализ мирового и отечественного опыта свидетельствует о перспективности геотермального теплоснабжения. В настоящее время в мире работают геотермальные системы теплоснабжения общей мощностью 17000 МВт. Только в США эксплуатируется более 200 тысяч геотермальных установок. По планам ЕС, мощность геотермальных систем теплоснабжения, включая тепловые насосы, должна возрасти с 1300 МВт в 1995 году до 5000 МВт к 2010 году.

В настоящее время в России из всех видов ВИЭ в наибольших масштабах применяют геотермальную энергию. В Краснодарском и Ставропольском краях, Кабардино-Балкарии, Дагестане и в Камчатской области добывается до 30 млн. м³ геотермальной воды, что эквивалентно 150-170 тыс. т у. т. В то же время технический потенциал геотермальной энергии, по данным Минтопэнерго РФ, составляет 2950 млн. т у.т.

Центральный геотермальный тепловой пункт (ЦТП) расчетной теплопроизводительностью 5 МВт представлен на рисунке 5.11.

1 - геотермальная скважина; 2 - дегазатор; 3 - эжектор; 4 - насос рабочей воды; 5 - бак рабочей воды; 6 - бак-аккумулятор; 7 - тепловой насос; 8 - система отопления; 9 - сетевой насос.

Рисунок 5.11 – Схема геотермального ЦТП в поселке Мостовском (Краснодарский край)

Геотермальная вода в ЦТП поступает от двух скважин с дебитом 45-70 м³/ч каждая и с температурой 70-74°С в два бака-аккумулятора - 6. Для утилизации теплоты сбросной геотермальной воды работает парокомпрессионная теплонасосная установка (ТНУ) - 7. Отработанная в системах отопления геотермальная вода с температурой 30-35°С перед ТНУ разделяется на два потока: один из них охлаждается до 10°С и сливается в водоем, второй догревается до 50°С и возвращается в баки-аккумуляторы.

Технология получения петротермального тепла заключается в закачке воды в горячие подземные горные породы и в последующем извлечении нагретой в них воды. В России петротермальное теплоснабжение пока находится на стадии опытно-конструкторских разработок. Однако все источники возобновляемых энергоресурсов в настоящее время могут быть использованы только в связи с традиционными источниками тепла - пиковыми котельными, установками догрева и т. д.

Применение ВИЭ для целей теплоснабжения требует более значительных капитальных вложений по сравнению с традиционными решениями. Тем не менее, технологии их использования активно развиваются во многих странах мира и уже успешно конкурируют на рынке энергетических услуг. Одновременно решается экологическая проблема по уменьшению вредных выбросов в атмосферу.

Необходимо отметить, что геотермальную энергию можно также использовать для получения электрической энергии, примером тому может служить Норвегия и Исландия, где электро и теплоснабжение осуществляется исключительно за счет геотермальных источников.

5.9 Использование энергии морских приливов и волн

Энергопотенциал морских приливов и отливов вдоль береговых линий оценивается в мире, примерно в 300 ГВт. Однако в настоящее время освоение данного вида ВИЭ находится в стадии исследования и некоторых проектных разработок. На рисунке 5.12 показан принцип построения приливной электростанции, а на рисунке 5.13 приведена схема воздушного двигателя, использующего энергию морских волн [9,15].

Рисунок 5.12 - Принципиальная схема приливной электростанции

Рисунок 5.13 - Схема воздушного двигателя, использующего энергию

морских волн

5.10 Вторичные энергоресурсы, источники поступления и возможность их использования в электроэнергетике

Как было отмечено в подразделе 1.5, вторичными энергетическими ресурсами является энергетический потенциал продукции, отходов, побочных и промежуточных продуктов, образующихся в технологических агрегатах, которые не могут быть использованы в самом агрегате, но могут частично или полностью использоваться для энергоснабжения других потребителей [9].

Использование вторичных энергоресурсов потребителем может осуществляться непосредственно без изменения вида энергоносителя или за счет преобразования его в другие виды энергии, или выработки тепла, холода, механической работы в утилизационных установках.

Рассмотрим, что можно отнести к основным видам вторичных энергетических ресурсов.

Тепловые ВЭР – это физическое тепло отходящих газов основной и побочной продукции, тепло золы и шлаков, горячей воды и пара, отработавших в технологических установках, тепло рабочих тел систем охлаждения технологических установок.

Горючие ВЭР – горючие газы и отходы, которые могут быть применены непосредственно в виде топлива в других установках и непригодные в дальнейшем в данной технологии: отходы деревообрабатывающих производств (щепа, опилки, обрезки, стружки), горючие элементы конструкций зданий и сооружений, демонтированных из-за непригодности для дальнейшего использования по назначению, щелок целлюлозно-бумажного производства и другие твердые и жидкие топливные отходы.

К вторичным энергетическим ресурсам избыточного давления относится потенциальная энергия газов, воды, пара, покидающих установку с повышенным давлением, которая может быть еще использована перед выбросом в атмосферу, водоемы, емкости или другие приемники.

Избыточная кинетическая энергия также относится к вторичным энергоресурсам избыточного давления.

Основными направлениями использования вторичных энергетических ресурсов являются: топливное – когда они используются непосредственно в качестве топлива; тепловое – когда они используются непосредственно в качестве тепла или для выработки тепла в утилизационных установках; силовое – когда они используются в виде электрической или механической энергии, полученной в утилизационных установках; комбинированное – когда они используются как электрическая (механическая) энергия и тепло, полученные одновременно в утилизационных установках за счет ВЭР.

Значительное количество горючих ВЭР используется непосредственно в виде топлива, такое же непосредственное применение нашли и тепловые ВЭР, например, горячая вода системы охлаждения для отопления и др.

При правильном использовании вторичных тепловых энергетических ресурсов, образовавшихся в виде тепла отходящих газов технологических агрегатов, тепла основной и побочной продукции, достигается значительная экономия топлива. Проведенными расчетами установлено, что стоимость теплоэнергии, полученной в утилизационных установках, ниже затрат на выработку такого же количества теплоэнергии в основных энергоустановках.

Поэтому выявление выхода и учета возможного использования вторичных энергоресурсов – одна из задач, которую необходимо решать на всех предприятиях и особенно предприятиях с большим расходом топлива, тепловой и электрической энергии. Эти энергетические ресурсы, как правило, используются не в полном объеме или не используются вовсе.

Использование вторичных энергетических ресурсов не ограничивается лишь энергетическим эффектом – это и охрана окружающей среды, в том числе воздушного бассейна, уменьшение количества выбросов вредных веществ. Некоторые из этих выбросов могут давать дополнительную продукцию, например, сернистый ангидрид, выбрасываемый с отходящими газами, можно улавливать и направлять на выпуск серной кислоты.

Считается целесообразным, если при реконструкции или расширении действующих, а также при проектировании новых предприятий будет предусматриваться разработка мероприятий по использованию ВЭР с обоснованием их экономической эффективности. Отказ потребителей от использования вторичных энергетических ресурсов как на действующих, так и проектируемых предприятиях может быть обоснован только расчетом, подтверждающим экономическую неэффективность или техническую невозможность использования ВЭР.

Необходимо отметить, что в мире довольно успешно применяется технология обращения мусора в энергию на мусоросжигательных заводах, которые работают по принципу ТЭЦ, используя в качестве топлива твердые бытовые и коммерческие отходы. Подсчитано, что теплота сгорания трех тонн мусора равняется теплоте от сжигания одной тонны угля. При этом вырабатывается электрическая и тепловая энергия, которой могут пользоваться промышленные предприятия и население города. Примером тому могут служить такие города, как Париж, Лондон, Барселона, Монако, Брюссель, Москва, Канны и др.

Таким образом вероятно, нет такой другой области, которая бы располагала таким большим потенциалом энергосбережения, как сжигание отходящих технологических газов и остатков.

В промышленности утилизация вторичных горючих энергетических ресурсов может оказаться ключевым источником энергосбережения, а также средством уменьшения загрязнения окружающей среды в результате выбросов технологических отходов. Однако, утилизация отходящих вторичных горючих энергетических ресурсов в некоторых случаях могут помешать ограничения, связанные с охраной окружающей среды и если не принять меры для осуществления альтернативных вариантов со сжиганием непромышленных видов топлива, этот полезный источник энергии можент быть потерян.

6 Перспективы и особенности использования нетрадиционных источников энергии в Казахстане

6.1 Современное состояние и особенности применения нетрадиционных источников энергии в Республике

По данным Министерства охраны окружающей среды (МООС) РК, доля использования альтернативных источников энергии от общего энергопотребления в странах ЕС в 2010 году составляла 10%, а к 2040 планируется достичь показателя в 30%. К сожалению, в Казахстане и других странах Центральной Азии этот показатель менее 1 % [17].

В последние годы рост потребления электроэнергии в Казахстане был устойчивым. Прогнозируется значительный рост до 2010-2015 годов. Однако глобальные проблемы с энергетикой могут привести к диверсификации энергоснабжения многих стран, в том числе и Казахстана. Из страны, экспортирующей энергоносители, Казахстан может трансформироваться в государство, импортирующее энергетические установки возобновляемого типа.

Ученые уже рассматривали два базовых сценария развития электроэнергетики. По оценкам отечественных ученых и специалистов, если сегодня не заниматься альтернативной энергетикой, то к 2024 году Казахстан получит уже не диверсификацию, а монофикацию, львиную долю в которой будет занимать угольная энергетика. Хотя, заметим, что и в угольной отрасли тоже имеется потенциал перехода на новые технологии. Состоится это или нет, другой вопрос.

Что касается другого сценария - перспективы диверсификации, то согласно расчетам специалистов: примерно 22% в структуре потребления электроэнергии в Казахстане могут составить гидростанции, ветроэнергетика. И все же основной долей, по их мнению, должна быть газовая составляться.

Согласно данным МООС, не возобновляемых ресурсов в Казахстане хватит на 3-4 десятка лет. Правда, по некоторым ископаемым, например, меди, газу, учитывая амбициозные планы и темпы освоения месторождений, и того меньше. Но это лишь один из факторов, побуждающих к поиску альтернативных источников. Помимо дефицита запасов природных ресурсов «большое впечатление» производят цифры, полученные по результатам исследований изменения климата. Причем не столько в далеком будущем, сколько ускорение таких тенденций уже в настоящем.

В Казахстане имеется значительный потенциал для развития различных отраслей экономики на основе возобновляемых источников энергии. Таких как биогорючее, биогаз, бноэтанол, био, ветро- и гидроэнергетика, а также геотермальной энергетики, гелиоэнергетики, применение которых не вызывает парникового эффекта и связанных с этим климатических изменений. Были названы также отрасли, как сельское хозяйство и переработка сельхозпродукции, рыбное и водное хозяйство, рыбная промышленность, лесное хозяйство и переработка, топливно-энергетическая.

Планируемые темпы роста производства - не менее 10% ежегодно и ориентация на прорывные энергоемкие технологии порождают высокий спрос на энергию, расходы которой не покоряются даже за счет строительства параллельной ЛЭП «Север-Юг». Поэтому с учетом ожидаемого дефицита развитие альтернативных источников энергии будет востребовано.

Солнце, ветер и вода - как возобновляемые источники энергии - стали предметом обсуждения на форуме, состоявшемся в апреле 2007 года в Алматы, «Энергетика. Энергосберегающие технологии. Альтернативные источники энергии», организованном Европейской бизнес-ассоциацией Казахстана и МООС РК. Потенциальные резервы использования этих ресурсов оцениваются в Казахстане в 12 млрд. долларов в год.

Отставание в использовании альтернативных источников энергии в условиях огромных их резервов, которыми располагает РК необходимо преодолеть. В соответствии с поручением Главы государства в МООС РК разработана стратегия эффективного использования энергии и возобновляемых ресурсов в целях устойчивого развития до 2024 года. В Астане планируется создание двух центров: «Столярного» и Евразийского центра воды, на которые будут возложены функции по разработке и внедрению технологий по использованию возобновляемых ресурсов. По некоторым оценкам, за предстоящие 17 лет необходимо более чем в два раза увеличить долю альтернативных источников энергии в структуре энергообеспечения страны. Это условие является важнейшим элементом экономического развития и успешной конкуренции с развитыми странами мира в ближайшем будущем, поскольку переход на возобновляемые источники, кроме энергетической независимости и экологической чистоты обеспечивает развитие высокотехнологичных отраслей.

Ратификация Киотского протокола является одним из инструментов. На последней конференции в качестве базового показателя для Казахстана был определен 1992 год. Это 344,1 млн. т. эквивалентного С0₂. Приблизительная стоимость экономического ущерба, которые наносят угольные электростанции, оценивается для условий Казахстана в семь тенге за каждый кВт/час электроэнергии. Поэтому механизмы Киотского протокола создают реальные стимулы для повышения инвестиционной привлекательности. Поскольку 87% выбросов парниковых газов образуются в энергетическом секторе, на него и возлагается основная доля снижения выбросов за счет реализации инновационных проектов и за счет переориентации фискальной политики. При этом, поскольку новые источники обходятся недешево, опыт ЕС по освобождению альтернативной энергетики от экологического налога и увеличению его для традиционных, загрязняющих атмосферу источников, возможно, был бы разумным для Казахстана.

Что касается применения ВИЭ для получения электроэнергии в Республике Казахстан, то здесь имеется ряд существенных особенностей.

Во первых - отсутствие на сегодня возможностей по использованию геотермальной энергии, энергии приливов и волн.

Во вторых - наличие богатых запасов угля, нефти, газа и урана, что обуславливает дальнейшее развитие традиционной энергетики.

В третьих - огромный потенциал ветровой и солнечной энергии, обусловленный географическим положением, а также наличие гидроэнергетического потенциала на юге Казахстана по отрогам Жетусуйского и Заилийского Алатау.

В четвертых – это низкая плотность населения в центральных районах Казахстана и большое количество удаленных и трудно доступных мелких населенных пунктов, баз отдыха, фермерских хозяйств и других объектов, не имеющих в большинстве случаев не только централизованного, но вообще какого - либо вида электроснабжения.

Поэтому использование альтернативных источников энергии должно осуществляться исходя из особенностей климатических условий конкретного региона и экономической целесообразности. При этом если учесть, что неисчерпаемым источникам возобновляемой энергетики (ВЭ) не свойственны проблемы истощения запасов, то можно говорить об отсутствии основной причины, вызывающей повышение цен на производимую электроэнергию. В то же время увеличение рынка ВЭ и развитие новых технологий в области ВЭ будет приводить к понижению цен на энергию. Кроме того, ВЭ позволит сохранить экологию и сберечь запасы углеводородов для развития производств по широкому ассортименту продукции (одежда, лечебные средства, машинные масла и горючее, органические и химические вещества, пластмассы и т.п.).

Казахстан по своему географическому положению имеет большие ресурсы ветровой энергии, которые в сотни, раз превосходят современное электропотребление в стране, и располагает прекрасными возможностями для использования ветровой энергии. Энергетический потенциал ветра на территории РК оценивается на уровне 1,8 трлн. кВтч в год, например, потенциальные ресурсы по Южному Казахстану: Алматинская - 3100 млрд. кВтч-год, Жамбыльская - 1800 млрд. кВтчтод, Южно-Казахстанская - 1100 млрд. кВтч-год, Кызылординская -2700 млрд. кВтч-год, что значительно превышает годовую выработку электроэнергии в 2005 году - 68 млрд. кВт-ч. Поэтому государственной программой развития электроэнергетики до 2030 года предусматривается строительство ряда ВЭС мощностью 500 МВт. Это позволит получать два миллиарда кВт/часов электроэнергии в год, сократить использование топлива на 600-800 тыс. т., снизить выбросы парниковых газов (ПГ) на два миллиона тонн.

6.2 Перспективы ветроэнергетики

По характеристикам ветропотенциала (средняя скорость ветра в году, его напор) территорию Республики можно разбить на ряд зон с характерными ветрами (см. рисунок 6.1). Это ветры открытых степных пространств, ветры пограничной зоны полупустынь и пустынь с большими открытыми водоемами (Каспийское море, озера Балхаш, Алаколь и др.). Это ветры межгорных проходов и крупных ущелий восточного, юго-восточного, южного Казахстана («Джунгарские Ворота», «Шелекский Коридор», Шокпар, Жангиз-Тобе, Курдай, Арыстан-Баб и др.), а также ветры складчатых гор центрального и западного Казахстана (Ерментау, Улытау, Каркаралы, Мугоджары и др.). По величине скорости ветра на территории Казахстана можно выделить 3 основных региона среднегодовых скоростей ветров: северный при скоростях 4,5-5,5м/с, западный (прикаспийский) при скоростях 5,5-7 м/с и юго-восточный при скоростях 5,5-6 м/с. Площадь этих регионов составляет около 40% территории Республики [16,17].

Рисунок 6.1 - Атлас ветров Казахстана

Наибольшая скорость ветра по Казахстану наблюдается в районе Жаланашколь, где средняя годовая скорость ветра составляет 8,0 м/с, а число дней, в которые скорость ветра превышает 8,0 м/с, составляет 253 дня. Особенно хорошие возможности для крупной разработки источников ветровой энергии имеются в месторасположении Джунгарских ворот и Шелекского коридора. Здесь скорость ветров в среднем за год составляет от 7 до 9 м/с и от 5 до 9 м/с. Соответственно, имеется хорошая корреляция сезона ветров с потребностью в электроэнергии, развит местный рынок спроса на электроэнергию и проходят существующие линии передачи электроэнергии. Проведенные совместно с независимыми экспертами из Дании исследования по изучению ветропотенциала Джунгарских ворот и Шелекского коридора дали результаты, превышающие в 1,5-2 раза потенциалы лучших зарубежных площадок.

Джунгарские Ворота (Юго-Восточная часть республики Казахстан) Это межгорный проход шириной в узком месте от 10 до 12км и длиной до 80км (см. рисунок 6.2). Практически вся территория его (свыше 1500км²) располагается на территории Казахстана. Южный борт прохода крутой (высота гор до 3500м), противоположный - значительно положе. Проход соединяет обширные (сотни тысяч квадратных километров) Балхаш - Алакольскую впадину в Казахстане и аналогичную в Китае. Разделяющие их хребты Джунгарского Алатау и Джаир образуют естественные заслоны, ориентированные с Юго - Запада на Северо - Восток, длиной соответственно около 400 и 250км. В проходе между ними природой создано некое подобие естественной аэродинамической трубы. В Джунгарских Воротах, особенно в холодное время года, дуют попеременно ветры северо-западного или юго-восточного направлений "Евгей" и "Сайкан", представляющие собой одни из редких и интересных примеров орографического усиления ветров, обусловленных резким уменьшением воздушного потока в межгорном пространстве.

Рисунок 6.2 - Карта расположения Джунгарских ворот

Скорость запуска существующих в мире ВЭУ начинается, как правило, с 4 до 5м/с. Среднемесячные скорости ветра в указанных районах не опускаются ниже значения 5,5м/с даже в июле то можно констатировать, что ВЭУ практически будут работать круглогодично. При этой скорости ВЭУ могут давать около 10% номинальной мощности. Это хорошо координируется со спадом электропотребления в летнее время. При сильном ветре, большем, например, 12 м/с, ВЭУ вырабатывают вполне достаточно электроэнергии, и зачастую ее приходится сбрасывать или запасать. А в холодные месяцы года ВЭУ будут выдавать мощности практически равные 100% их номинальной установленной мощности. Но независимо от этого во всех случаях требуется тщательный выбор параметров ВЭУ применительно к местным метеоусловиям, поскольку имеется отрицательный опыт с использованием не приспособленных к местным условиям ветровых станций, которые простаивают уже в течение года.

При поддержке программы ООН в районе Джунгарских ворот проводятся работы по организации строительства пилотной электростанции мощностью 5 МВт. Как было замечено одним из спикеров, такой мощности достаточно для решения проблем небольшого городка.

Хороший ветровой потенциал имеют Центральный регион, Прикаспий, форт Шевченко, а также Астана и Аркалык. Используя опыт ЕС, в Шетском районе Карагандинской области установлены 11 ветроэнергетических установок на отдаленных зимовках. Важным этапом является строительство Мойнакской ВЭС и других.

Развитие ветроэнергетики в нашей стране необходимо, поскольку наша промышленность - крупнейший источник парниковых газов (ПГ) в Центральной Азии (155 миллионов тонн эквивалентных СО₂в 2004 году) и занимает одно из лидирующих мест в мире по удельным выбросам ПГ на единицу ВВП (6,11 килограмма на доллар). При этом строительство ряда ВЭС обеспечит стабильность цен на электроэнергию в долгосрочной перспективе, улучшит состояние окружающей среды. В качестве первой очереди можно рассматривать станцию мощностью 20 МВт в Астане. К этому проекту интерес проявляет ряд крупных иностранных компаний.

Кроме того, учитывая наши огромные территории и низкую плотность населения, где имеются более 5000 поселков и большое количество крестьянских хозяйств, зимовок скота которые не обеспечены электроэнергией использование ветра как местного источника энергии особенно актуально. Потери электроэнергии в сетях при питании мелких, удаленных от центральных энергосистем потребителей достигают 20-30%. Отсутствие местных энергоисточников отрицательно сказывается на обустройстве автомобильных и железных дорог международного транспортного коридора и государственной границы.

Конечно, в планах развития экономики предусматривается строительство угольных электростанций. Но они основные загрязнители окружающей среды. Приблизительная стоимость экономического ущерба, которые наносят угольные электростанции, оценивается для условий Казахстана в семь тенге за каждый кВт/час электроэнергии. В то же время РК подписала Рамочную Конвенцию ООН по изменению климата, и присоединилась к Киотскому протоколу, что заставляет ограничить выбросы в самые короткие сроки.

Поэтому государственной программой развития электроэнергетики до 2030 года предусматривает строительство ряда ВЭС мощностью 500 МВт. Это позволит получать два миллиарда кВт/часов электроэнергии в год, сократить использование топлива на 600-800 тыс. т., снизить выбросы ПГ на 2Мт.

В целом потенциал ветроэнергетики может быть доведен до 50 тыс. мВт. Мощность ВЭС доходит до 1000 мВт, и для Алматы, по мнению экспертов, было бы достаточно двух ВЭС. Для сельских регионов очень подошли бы мини-станции. На сегодня стоимость установленной мощности для крупных установок составляет 1300-1500 долларов на киловатт/час, для малых станций будет дороже 2-3 тыс. долларов на киловатт/час. Однако с ростом числа станций прослеживается тенденция удешевления ветроэнергетики. При этом сфера экономически целесообразного применения ВЭУ в современных условиях ограничивается в основном, районами, имеющими децентрализованные энергоснабжение, благоприятные ветровые условия и возможностью эксплуатации ВЭУ в течение большей части года.

На рисунке 6.3 приведена карта Казахстана с наиболее перспективными регионами для строительства ВЭС.

Рисунок 6.3 – Перспективные регионы для строительства ВЭС

Переход на возобновляемые источники необходим еще и потому, что на их основе при наличии высокого научного потенциала развиваются высокотехнологичные отрасли. Так, например, в Павлодаре начат выпуск мини ВЭУ мощностью до 5 МВт.

Казахстанские ученые и инженеры вносят определенный вклад в область использования энергии ветра с целью создания и развития ветроэнергетики как отдельной отрасли в Казахстане. Разработанные в Алматинском институте энергетике и связи опытные виндроторные установки мощностью 2-20 кВт и турбовинтовые модульные установки 1-60 кВт были запущены в Капшагае, Шымбулаке, Чилике, Алаколе, Достыке [16,17].

Предложена новая система буревой зашиты, принципиально отличающаяся от зарубежных аналогов, которая основана на использовании действующего на ветроколесо опрокидывающего момента, образуемого за счет разности в скоростях воздушного потоков в верхней и нижней частях ветроколеса. Это существенно увеличивает эффективность работы системы и повышает устойчивость ветровых установок против опрокидывания, увеличивает надежность и срок службы в целом.

Получены предварительные патенты на принципиально новые вертикально-осевые ветровые турбины (ВОВТ) модульного исполнения и специальный электрогенератор для них, проведены теоретические проработки турбин и генераторов, изготовлен ряд опытных образцов, показавших перспективность данного направления.

6.3 Перспективы развития гелиоэнергетики

Положение Казахстана в умеренных широтах (40 – 55° с. ш.), а также небольшая в среднем величина покрытия неба общей и особенно нижней облачностью определяет высокие значения притока солнечной радиации на его территорию (свыше 2,7 млн. км²). Величины солнечной радиации, получаемые Казахстаном, находят свое отражение в количественных характеристиках продолжительности солнечного сияния. Полуденные высоты солнца, характеризующие интенсивность радиации и продолжительность дня, в летнее время достигают наибольших значений (см. таблицу 6.1) [17].

Таблица 6.1 - Полуденные высоты и продолжительность дня в дни зимнего и летнего солнцестояния

Широта	22.12.08		22.06.08
Широта	h_о	Продолжительность дня	h_о	Продолжительность дня
55⁰	11⁰36´	7 час 09 мин	58⁰24´	17 час 22 мин
50⁰	16⁰36´	8 час 04 мин	63⁰24´	16 час 21 мин
45⁰	21⁰36´	8 час 48 мин	68⁰24´	15 час 37 мин
40⁰	26⁰36´	9 час 19 мин	73⁰24´	15 час 07 мин

Фактическая длительность солнечного сияния определяется, кроме астрономических факторов, режимом облачности, в известной степени отражающим развитие циркуляционных процессов.

Циркуляция больших масштабов, а также влияние рельефа местности приводят к тому, что облачные системы наиболее вероятны в северных районах республики и на крайнем юго-востоке, где существенное влияние оказывают горы. В соответствии с этим среднее годовое число часов солнечного сияния, сравнительно небольшое на севере и в предгорьях Заилийского Алатау (приблизительно 2000 часов), достигает больших значений к югу Казахстана: Кызылорда – 2936, Чимкент – 2892 часа (см. таблицу 6.2). Столь высокие значения вызваны особенностями облакообразование в центральных и южных пустынных районах республики.

Раскаленные солнцем громадные пустыни Средней Азии и Казахстана создают условия для образования конвективных потоков воздуха, вследствие которых уровень конденсации водяных паров приподнимается значительно выше, чем в других районах Казахстана. В результате этого конвективные формы облачности располагаются сравнительно высоко, развитие их ведет к образованию тонких перистых облаков. Таким образом, получается, что в летние месяцы (июнь – август) пустынные районы и юг Казахстана получают прямую солнечную радиацию в течение почти всего светлого времени суток.

Таблица 6.2 - Число часов солнечного сияния

Населенные пункты	1 январь	2 февраль	3 март	4 апрель	5 май	6 июнь	7 июль	8 август	9 сентябрь	10 октябрь	11 ноябрь	12 декабрь
Кустанай	78	97	149	194	275	305	284	259	178	114	68	57
Атбасар	51	96	139	196	280	281	286	250	180	100	66	49
Астана	84	117	152	211	277	306	303	267	208	125	71	65
Павлодар	96	142	189	234	300	321	314	274	212	145	70	73
Уральск	75	105	145	224	317	333	343	309	220	138	88	66
Атырау	117	131	179	256	324	337	343	321	262	202	129	82
Актобе	92	114	145	226	300	310	312	289	229	144	87	68
Кзылорда	109	169	208	224	338	377	382	360	289	229	153	98
Зайсан	119	141	188	241	285	316	322	295	239	171	112	91
Шымкент	119	125	168	234	310	351	384	367	306	224	148	115
Алматы	115	119	140	195	242	282	316	296	349	198	129	111

Из таблицы 6.2 следует, что распределение величин средней продолжительности сияния отнюдь не соответствует географическому распределению станций. Так, район Кустаная имеет одинаковое число часов сияния с районом Алматы. В летнее время южные станции, где световой день значительно короче по сравнению с северными, характеризуются значительно большей продолжительностью солнечного сияния. Средний максимум приходится на пустынные местности Кзылординской области и Южно-Казахстанскую область, где он составляет 12,6 часа в день. Следует отметить, что на большей части республики максимум солнечного сияния приходится на месяц летнего солнцестояния - июнь, реже на июль.

На вышеуказанные районы приходятся и наибольшие значения средней продолжительности сияния (7,9 – 8 часов). Однако если рассматривать величины продолжительности солнечного сияния по градациям (не менее 8, 6 или 4 часов в день), что представляет интерес для рационального размещения тех или иных гелиотехнических установок, работающих лишь при определенной длительности сияния, то выявляются некоторые новые возможности. На рисунке 6.4 представлены графики числа часов солнечного сияния для Алматы, Астаны и Костаная.

Рисунок 6.4 - Графики числа часов солнечного сияния

Кроме того, из таблицы 6.2 следует, что в Казахстане имеются обширные территории, где солнечное сияние имеет место 8 часов и более в течение 6 месяцев подряд, за малым исключением, районов, расположенных южнее линии Атырау Кызылорда – Зайсан. Продолжительность солнечного сияния на таких станциях, как Кызыл-Орда, Чимкент, в летние месяцы составляет 83 – 96% от возможного максимально возможного значения. Таким образом, рассмотрение характеристик светового климата по данным таблицы 6.2 и рисунка 6.4 показывает, что указанные районы Казахстана являются весьма перспективными для развития гелиоэнергетики.

Особенно богат прямой солнечной радиацией Юг республики. По годовым суммам район Алматы уступает из южных пунктов лишь Ташкенту (см. таблицу 6.3).

Таблица 6.3 – Годовые суммы прямой радиации на перпендикулярную (S^') и горизонтальную (S) поверхности и отношение к суммам в Алматы

Населенный пункт	Широта	S^'	S	Отношение к значению S в Алматы
Населенный пункт	Широта	Ккал/см² год		Отношение к значению S в Алматы
Ташкент	41⁰20^'	174,0	102,0	1,24
Алматы	43⁰14^'	143,0	81,8	1,0

Перспективными считаются и высокогорные плато северного Тянь-Шаня, находящиеся на высоте 1500-2500м над уровнем моря, южные склоны северных гряд которых практически освещаются солнцем под прямым углом в летнее время, и с отклонениями до 20-30 градусов в холодное время года. Имеются реальные перспективы использования солнечной энергии в юго-восточном регионе, особенно в равнинных и горных местностях.

Проведенный анализ позволяет сказать, что по потенциалу солнечной энергии Казахстан занимает одно из ведущих мест в мире, так как количество солнечных часов составляет 2200-3000 часов при интенсивности солнечного излучения 1300-1800 кВт-м² в год и суммарной дневной радиации при реальных условиях облачности 3,8-5,2 кВт/м². Для сравнения: среднее количество солнечных часов во Вьетнаме 2200 ч, Китае - 2500 ч, в Германии, Великобритании, Норвегии, Японии - менее 1000ч. в год.

Перспективность природных условий делает возможным применение СФЭС, автономных и портативных фотоэлектрических систем, а также позволяет использовать низкопотенциальное тепло в солнечных нагревателях воды в сельской местности, на животноводческих отгонах и т.д.

В то же время по энергообеспеченности на душу населения, ряд областей республики (Акмолинская, Алматинская, Жамбылская, Западно-Казахстанская, Северо-Казахстанская и Южно-Казахстанская) попадают в разряд районов, которые можно отнести к энергодефицитным.

В стране имеется хороший опыт работ в области низко потенциальных источников тепла, опреснителей и осушителей. Например, ТОО «Еркин и К» внедрило в производство серию изобретений по солнечным коллекторам и опреснителем, установило боле 160 единиц таких устройств с мощностью от 100 до 20 тыс. литров горячей воды в день. Установки позволяют получить горячую воду с температурой до 100°С, максимальное давление в установках - до 20 атмосферах, срок службы - более 10 лет (см. рисунок 6.5). Установки имеют небольшой вес, надёжны в эксплуатации, недороги. Осуществлена продажа лицензий по патентам на солнечные коллекторы и опреснители южнокорейским компаниям «К.&К- Electronics» и «MiraeSL Cora».

1 - солнечный коллектор; 2 - баки-аккумуляторы; 3 - циркуляционный насос; 4 - теплообменник.

Рисунок 6.5 – Схема горячего водоснабжения с использованием активных солнечных коллекторов

Разработанные в Алматинском институте энергетики и связи опытные гелиотепловые концентрирующие установки типа ГК мощностью 1 кВт и фотоэлектротепловые установки с гелиоконцентратом типа САК и мощностью 2 кВт были запущены в разное время в Алматы и Талгаре [17].

Однако, сейчас в РК, да и в других странах Центральной Азии нет ни одного предприятия по производству солнечных элементов, модулей и фотоэлектрических установок. Применение солнечной энергии в настоящее время широкого развития не получило из-за тарифной политики.

6.4 Использование гидроэнергетического потенциала малых рек

Гидроэнергетический потенциал Казахстана оценивается в 170 млрд. кВт часов в год. Вместе с тем южная зона, имея на своей территории, сотни горных малых рек располагает 65% запасом всех гидроэнергоресурсов республики где целесообразно использовать микро и мини ГЭС [17].

На юге Казахстана, по мнению экспертов, можно покрыть дефицит электроэнергии, соорудив каскад экологически чистых микро и мини ГЭС (без подпорных плотин), поскольку гидроэнергетический потенциал по отрогам Жетусуйского и Заилийского Алатау оценивается не менее чем в 4 ГВт мощности, что составляет почти четверть потенциала энергетики юга. Большое значение имеют малые гидроэлектростанции, мощность которых составляет менее 10 MBт. По результатам обследований, на сегодня существуют по крайней мере 453 потенциальных створа малых ГЭС с общей возможной мощностью 1380 МВт. Некоторые из них предусматривают использование существующих ирригационных каналов, что потребует меньших затрат, ресурсов и времени на их осуществление. Только по Алматинской области энергоресурсы малых рек составляют более 2 млрд. кВт-ч. На рисунке 6.6 приведена карта Алматинской области с действующими и планируемыми малыми ГЭС.

Рисунок 6.6 - Карта Алматинской области с действующими и планируемыми малыми ГЭС

Экономический потенциал микро и мини ГЭС составляет примерно 10% от общего экономического потенциала возобновляемых источников энергии. Но используется этот потенциал в нашей стране менее чем на 0,1%.

Казахстанскими учеными и инженерами в настоящее время разработаны новые модульные модели бесплотинной микро-ГЭС, на которые получены предварительные патенты, также изготовлен опытный образец и проведено испытание. Результаты испытания доказали высокую эффективность разработанной конструкции микро-ГЭС и их конкурентоспособность как на внутреннем, так и на международном рынке.

Многие из разработок казахстанских ученых типа микро-ГЭС прошли успешные испытания, например, установка микро-ГЭС-1, разработанная в РГП «НПЦ механизации сельского хозяйства». Вырабатываемая ею мощность в 1 кВт при расходе воды в 0,32 м² /с и напоре воды в 4 м вполне достаточна для обеспечения электроэнергией одного жилья животновода в полевых условиях. В Алматинском институте энергетики и связи разработаны опытные горные мини-ГЭС деривационного и топливного типа [17].

7 Мировой опыт энергосбережения

В индустриально 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 целевые программы экономии использования топливно-энергетических ресурсов, которые охватывают 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.

Остановимся на опыте зарубежных стран в сфере управления энергосбережением и применения рациональных технологий использования энергии [2,5,9,10,14,17].

В новых индустриальных странах Юго-Восточной Азии (Корея, Сингапур, Гонконг и Тайвань) значительная часть энергосберегающих мероприятий финансируется самим государством, которое устанавливает энергетическое оборудование, соответствующее непромышленной сфере, выделяет владельцам жилых домов целевые беспроцентные ссуды или субсидии на перестройку зданий и приобретение материалов в соответствии с существующими стандартами и рекомендациями специалистов.

Правительство Тайваня предоставляет промышленным предприятиям низкопроцентные кредиты на приобретение энергосберегающего оборудования внутри страны и за рубежом.

В таких странах как Великобритания, США и Италия в последние 10–15 лет предприняты шаги по регулируемой законом демонополизации деятельности электроэнергетических компаний. Это достигается путем постепенного вовлечения в рынок производства электроэнергии новых энергопроизводящих фирм, а также организации рынка по экономии электроэнергии как альтернативы увеличению ее производства.

Организация рынка услуг по реализации энергосбережения в регионе вынуждает энергосберегающие компании заниматься вопросами энергосбережения у потребителя, что ведет к экономическому оздоровлению обслуживающего региона, росту производства и соответствующему увеличению потребления электроэнергии.

Энергоаудит на промышленных предприятиях инспекторы энергоснабжающих компаний этих стран проводят либо самостоятельно, либо обращаются к услугам компетентных экспертов НИИ электроэнергетики, университетов и консалтинговых фирм. Энергетическое обследование для коммерческого и бытового секторов энергокомпании проводят самостоятельно.

В большинстве промышленно развитых стран мира (США, Германия, Япония, Франция, Испания, Англия и др.) существуют национальные программы развития нетрадиционной энергетики, предусматривающие в течение 5–10 предстоящих лет значительное расширение использования НВИЭ: до 2—5 % (Дания, Голландия, США) и до 10–15 % (Новая Зеландия, Австралия, Канада) общего потребления.

Наибольший интерес и распространение имеют установки, использующие солнечную энергию, энергию ветра и биомассы. Например, в США В 1990 г. из 3,6 млн. ГДж энергии, произведенной за счет солнечной радиации, 3,5 млн. Дж представляет собой низко потенциальное тепло, использованное для горячего водоснабжения. В Израиле в соответствии с законом, требующим, чтобы каждый дом был снабжен солнечной водонагревательной установкой, установлено около 800 тыс. солнечных установок, производящих 15 млн. ГДж энергии и обеспечивающих 70 % потребности в горячей воде.

В мире повысился интерес к установкам, непосредственно преобразующим солнечную радиацию в электроэнергию. В этом отношении интересен опыт Японии, где сооружается фотоэлектрическая установка (ФЭУ) мощностью 750 кВт. В США 90 энергетических компаний создали фотоэлектрическую группу, которая в течение ближайшее время планирует ввести в эксплуатацию ФЭУ общей мощностью 47 кВт.

Ветроэнергетические установки (ВЭУ) достигли сегодня уровня коммерческой зрелости и в местах с благоприятными скоростями ветра могут конкурировать с традиционными источниками энергии. Так, в США более 1,5 млн. кВт вырабатывают ВЭУ, в Дании ВЭУ производят около 3 % потребляемой страной энергии, велики мощности установленных ВЭУ в Швеции, Голландии и Германии.

Повысилось внимание к использованию биомассы в энергетических целях. Это вызвано тем, что использование растительной биомассы при условии ее непрерывного восстановления не приводят к увеличению концентрации СО2 в атмосфере, а созданные технологии позволяют использовать биомассу значительно более эффективно, чем раньше.

В сфере управления энергосбережением интересен законодательный опыт Российской Федерации, где принят федеральный закон "Об энергосбережении" который регулирует отношения, возникающие в процессе деятельности в области энергосбережения, в целях создания экономических и организационных условий для эффективного использования энергетических ресурсов. Для чего в государственные стандарты на энергопотребляющую продукцию включаются показатели ее энергоэффективности. При этом:

- Энергопотребляющая продукция любого назначения, а также энергетические ресурсы подлежат обязательной сертификации на соответствующие показатели энергоэффективности.

- Соответствие производимого бытового оборудования требованиям, установленным государственными стандартами в части показателей энергопотребления, подтверждается путем обязательного маркирования указанного оборудования.

- При добыче производстве, переработке, транспортировке, хранении и потреблении энергетических ресурсов, а также при их сертификации осуществляется обязательный государственный метрологический контроль и надзор в области энергосбережения.

В целях стимулирования эффективного использования энергетических ресурсов в порядке, определяемом правительством Российской Федерации, осуществляется установление сезонных цен на природный газ и сезонных тарифов на электрическую и тепловую энергию, а также внутрисуточных дифференцированных тарифов на электрическую энергию.

В США политика энергосбережения в различных ее формах стала проводиться примерно с середины 70-х годов. За первые 10 лет ее осуществления затраты на энергию были снижены более чем на 200 млрд дол. В 1974–1986 гг. энергоемкость промышленности США ежегодно снижалась на 3,7 %, а в дальнейшем темп снижения составил около 1,2 % в год. При этом энергосберегающая эффективность холодильного оборудования в США выросла в 3–7 раз, морозильников в 4–5 раз. О масштабах экономии хорошее представление дает массовый переход в освещении домов на флуоресцентные светильники. Они оказались в 4 раза эффективнее в плане энергозатрат, и срок их службы в 10 раз превышает аналогичные показатели по обычным лампам накаливания. Установка 195 млн. флуоресцентных ламп в США, только в 1995 г. избавила США от необходимости наращивать мощность своих ТЭЦ на 9,6 млн. кВт.

Список широко применяемых в США новых методов энергосбережения можно пополнить указанием о новых типах автомобилей, авто- и авиамоторов, успехами в строительстве с применением новых сохраняющих тепло материалов, повсеместное внедрение термостатов и мониторинга зданий во избежание потерь тепла, внедрение энергосберегающих технологий в металлургии, химической и целлюлозно-бумажной промышленности.

В Японии после первого нефтяного кризиса были приняты меры по энергосбережению, которые привели к снижению на 35 % энергоемкости валового национального продукта. Однако за последние годы энергопотребление увеличивалось в среднем на 3,1 % в год, поэтому японское правительство пересмотрело "Закон об энергосбережении", основные принципы которого приведены ниже.

В соответствии с новой редакцией закона, Министерство международной торговли и промышленности Японии (ММТП) должно устанавливать и объявлять основные принципы политики, направленной на всестороннее стимулирование рационального энергоиспользования, а основные энергопользователи должны предпринимать шаги по рационализации энергопользования в соответствии с этой политикой по следующим основным направлениям:

- Регулирование энергопользования в промышленном секторе, который потребляет свыше 50% всей энергии.

- Регулирование энергопотребления зданий и сооружений по предельным теплопотерям.

- Регулирование энергоэффективности энергоемкого оборудования и транспортных средств.

- Регулирование экономичности путем введения стандартов, которые введены для электрооборудования, вплоть до определения расхода энергии на привод магнитных дисков для компьютеров. (Например, предельная световая эффективность для люминесцентных ламп устанавливается на уровне 62 лм/ Вт).

Отличительной особенностью электроэнергетики в Дании является специфическая форма собственности и структура энергокомпаний. Владельцами энергокомпаний являются потребители, а сами энергокомпании бесприбыльны. Каждый потребитель с момента подключения к сети становится акционером распределительной компании и имеет право избирать своих представителей в ее Генеральное собрание, которое в свою очередь избирает Правление.

Если компания получает прибыль (а это возможно, например, при падении цен на топливо), то потребитель получает дивиденды в форме снижения цены на энергию на следующий год.

Дания одной из первых приняла закон о выбросах СО₂. В 1990 г. в стране принят план развития энергетики. В плане предусмотрено: снижение энергопотребления на 15 % при ежегодном повышении ВВП на 2 %; рост потребления газа на 170 % при сокращении объемов потребления угля на 45 % и мазута на 40 %; снижение выбросов СО₂ на 20 %, S0₂ – на 60 %, NO_X – на 50 %. Эти цели предполагается достичь без дополнительных затрат, а необходимые инвестиции компенсировать абсолютным снижением объемов потребления топлива, экономией затрат на эксплуатацию и обслуживание энергоустановок.

Стоимость электроэнергии в быту в Дании в 2,8 раза выше, чем в промышленности, ее цена дифференцирована по времени суток.

В Дании имеется стройная система стимулирования энергосбережения и роста энергетической эффективности, основанная на налогообложении и субсидиях. Средний процент субсидий составляет 40 % основных капиталовложений в новые сети и около 20 % при реконструкции сетей, а субсидии для теплоизоляции зданий могут достигать 50 %. Кроме того, различные субсидии могут сочетаться между собой. Местные власти несут непосредственную ответственность за планирование и выполнение энергетических проектов на местном уровне.

Список литературы

1. Чоджой М.Х. Энергосбережение в промышленности. – М.: “Металлургия” 1982. – 272 с.

2. Ерали А.К. Тенденция развития топливно-энергетического комплекса (зарубежный и казахстанский опыт) Алматы, 2007. – 160 с.

3. Лезнев Б.С. Экономия электроэнергии в насосных установках. – М. Энергоатомиздат,1991. – 144 с.

4. Самойлов М.В., Пановчик В.В., Коновалов А.Н. Основы энергосбережения. Учебное пособие. 2ое издание.- Минск БГЭУ, 2003. – 198 с.

5. Самойлов М.В., Пановчик В.В., Коновалов А.Н. Основы энергосбережения. Учебное пособие. 3-е издание.- Минск БГЭУ, 2004. – 198 с.

6. Колесников А.И., Федоров М.Н., Варфоломеев Ю.М. Энергосбережение в промышленных и коммунальных предприятиях. – М.: ИНФРА-М, 2005. – 124 с.

7. Арутюнян А.А. Основы энергосбережения. – М.: ЗАО «Энергосервис», 2007. – 600 с.

8. Сагитов П.И. Энергосбережение в электроприводе. Учебное пособие. АИЭС. Алматы, 2005. – 89 с.

9. Полонский В.М., Трутнева М.С. Энергосбережение. Учебное пособие. – М.: Издат. Ассоц. стр. вузов, 2005. – 160 с.

10. Казанина И.В. Энергосбережение. Учебное пособие. АУЭС. Алматы, 2011 – 80 с.

11. Энерго и ресурсосберегающее оборудование и системы автоматизации. ЗАО НТЦ «Приводная техника» – Москва № 4, 2005 -128 с.

12. Современные проблемы энергетики: Сб. статей /Ред. Жимерин Д.Г. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 232 с.

13. Лейзерович А.Ш., Лившиц М.А., Плоткин Е.Р. Работа блочных ТЭЦ в переменной части графиков нагрузки // Энергохоз-во за рубежом. –1989. - № 3.- С.1-11.

14. Сибикин Ю.Д., Сибикин М.Ю. Технология энергосбережения: Учебник. – М.: Форум: ИНФРА – М, 2006. – 352 с.

15. Сибикин Ю.Д., Сибикин М.Ю. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии – М.: КНОРУС, 2010. – 232 с.

16. Болотов А.В. Нетрадиционные и возобновляемые источники электроэнергии. Учебное пособие. АУЭС. Алматы, 2011 – 79 с.

17. Мукажанов В.Н. Возобновляемые источники энергии. Учебное пособие. АУЭС. Алматы, 2011 – 80 с.