УДК 620.9:502 · 2014-09-25 · Опыт ЖКХ США 108 9. Экологичная ядерная энергетика как альтернатива ископаемым...

УДК 620.9:502.174

ББК 31.19 я 73

К78

Краснянский М. Е.

К 78 Энергосбережение.

Учебное пособие.

Харьков: «Бурун КНИГА», 2014. — 126 с.

ISBN 978-966-8392-34-7

Книга является учебным пособием для студентов и магистров любых технических

специальностей. Содержит подробную и глубокую качественную и количественную

оценку передовых достижений энергосбережения и возобновляемых источников энергии

(ВИЭ), а также новейшие мировые тенденции и разработки в области энергосбережения и

ВИЭ. Содержит большое количество таблиц и цветных иллюстраций.

УДК 620.9:502.174

ББК 31.19 я 73

© Краснянский М. Е., 2014

ISBN 978-966-8392-34-7 © ООО «Издательство Бурун Книга», 2014

2

УДК 620.9:502.174

ББК 31.19 я 73

К78

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Введение 4

2. Мировой баланс энергии 11

3. Снижение энергоемкости производств за счет модернизации технологических процессов 17

3.1. Металлургическое производство 17

3.2. Нефтепереработка 19

3.3. Когенерация 19

3.4. «Чистый уголь» 21

3.5. Сельскохозяйственные предприятия 22

3.5.1. Искусственное мясо 24

3.6. 3D-принтеры 25

4. Утилизация вторичных энергоресурсов (ВЭР) за счет неиспользуемых потоков энергии 27 4.1. Остаточное тепло (энергия) отходящих газов и паров в технологических

процессах 27

4.2. Попутный нефтяной газ 30

4.3. Производственные паропроводы 31

4.4. Потери электроэнергии 31

4.5. Транзит природного газа 36

4.6. Энергия шахтных вод 37

4.7. Тепло нагретых поверхностей 39

4.8. Неиспользованные пищевые потоки 40

5. Утилизация вторичных энергоресурсов (ВЭР) из отходов 42

5.1. Угольные и нефтяные шламы 42

5.2. Водоугольное топливо (ВУТ) 47

5.3. Отходы животноводства и птицеводства, городские отходы 50

5.4. Шахтный метан 53

5.5. Бурые угли 54

5.6. Древесные и растительные отходы 57

6. Энергия солнца, ветра и воды 61

6.1. Солнечная энергия 62

6.2. Энергия ветра 67

6.3. Малая гидроэнергетика 69

6.4. Геотермоэнергетика 74

7. Альтернативный транспорт 76

7.1. Гибриды 77

7.2. Водородомобили 78

3

7.3. Топливные элементы 81

7.4. Электромобили 82

7.5. «Зеленые» aвиалайнеры и морские суда 85

7.6. Прочий альтернативный транспорт 87

7.7. Альтернативы моторному топливу 90

7.8. Ионный двигатель 92

8. Жилищно-коммунальное хозяйство 94

8.1. «Нулевые» дома 94

8.2. Отопление и горячая вода от районной котельной 96

8.3. Утепление стен 98

8.4. Электронагреватели и теплонакопители 99

8.5. Отопление тепловыми насосами 102

8.6. Тепло вентиляционных потоков 106

8.7. Освещение 106

8.8. Низкоэнергетическая бытовая техника 107

8.9. Напор воды в кране 108

8.10. Опыт ЖКХ США 108

9. Экологичная ядерная энергетика как альтернатива ископаемым углеводородам 111

9.1. Ядерные технологии на быстрых нейтронах 111

9.2. Торий-урановый цикл 113

9.3. Реакции ядерного синтеза 114

10. Экономика энергосбережения 117

10.1. Энергоаудит 117

10.2. Разработка Программы энергосбережения 119 10.3. Методика оценки экономической эффективности мероприятий по

энергосбережению 120

Заключение: Третья Промышленная Революция 123

Список использованной литературы 126

4

1. Введение

Энергия – фундаментальная основа эволюции нашей цивилизации, и XXI век ставит перед

мировой энергетикой серьезные задачи по обеспечению устойчивого развития человечества.

Все страны - страны-производители и страны-потребители, бедные и богатые - интересует

один важнейший вопрос: надежное обеспечение глобальной экономики энергоресурсами,

необходимыми для устойчивого экономического роста, по ценам, отражающим основные

экономические принципы, и с минимальным ущербом для окружающей среды. Однако

большинство стран мира (Украина в первую очередь) не имеет достаточных собственных

энергоресурсов и вынуждены тратить значительную и всё возрастающую часть своего

бюджета на их закупку и транспортировку. С другой стороны, рост благосостояния

населения, к чему, собственно, стремится правительство любой цивилизованной страны,

неизбежно ведет к росту душевого потребления электроэнергии и моторного топлива. Это

противоречие способно устранить лишь государственная политика ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ.

Энергосбережение и энергоэффективность приобретают все более важное значение для

любой страны, поскольку они являются одними из важнейших элементов энергетической

политики; также, для стран, не имеющих достаточных собственных энергоресурсов – они

являются еще и частью государственной безопасности. Энергосбережение - мощный фактор

экономического развития, т.к. всегда быстрее, дешевле и экологичнее осуществить меры по

экономии энергии, чем увеличить ее производство (например, построить новую ГЭС или

АЭС). Кроме того, энергосбережение является весомым фактором улучшения состояния

окружающей природной среды и торможения глобального потепления - уменьшение

сжигания природных энергоносителей приведет к снижению загрязнения атмосферы

токсичными и парниковыми газами (так наз. "декарбонизация экономики"), прекращению

отравления рек и морей, а также к уменьшению складирования опасных отходов (см.

рис.1.1).

Рис. 1.1. Корреляция между количеством сжигаемого топлива и глобальным

потеплением, а также убытками от природных катастроф

5

Понимание важности энергосбережения пришло к ученым не сегодня и даже не вчера.

Выдающийся русский физик Н.А. Умов еще в 1912 г. (!) писал: «В 1910 г. из добытых в мире

1250 млн тонн угля 50% пошло на производство силы (имеется в виду пар и электричество –

М.К.), 30% - на отопление, около 20% - на металлургию и др. промышленность, 3% - на

производство света. При этом, при производстве силы излишние траты составили 600 млн

тонн угля, в отоплении – 150 млн тонн, при освещении – 25 млн тонн. Всего излишне

потрачено 1000 млн (один миллиард) тонн угля, т.е около 80% от всего добытого угля.

Отсюда вытекает особая важность и настоятельная необходимость поднятия кпд тепловых

машин» - см. рис. 1.2.

Рис.1.2. Диаграмма потоков энергии при работе тепловой электростанции (ГРЭС)

(цифры означают проценты)

На рис. 1.2 приведена диаграмма потоков энергии при работе тепловой электростанции

(ГРЭС). Это так называемая «конденсаторная» электростанция, в которой вода в котле

превращается в пар с температурой примерно 500°C и давлением 20 МПа, затем пар

направляется на турбину с генератором на оси для выработки электроэнергии, расширяется и

далее конденсируется в воду (т.е. ГРЭС производит только электроэнергию). Из рис. 1.3

видно, что общие потери составляют (100-32) = 68%, а наибольшие потери тепла происходят

в конденсаторе (54%), где отработанный пар после турбины конденсируется в воду и

возвращается в оборот. Ясно, что для сокращения потерь немалое остаточное тепло

отработанного пара и него конденсата необходимо утилизировать. Общий кпд тепловой

электростанции – лишь 32%. Это означает, что из каждых трех тонн сжигаемого на ней угля

– две тонны сжигаются БЕСПОЛЕЗНО.

Как упомянуто выше, для характеристики степени использования энергетических

ресурсов в технологических процессах и установках применяется КПД (%):

Э

Э

п и

п

100 ,

где Эпи - количество используемой энергии; Эп - количество подведенной энергии к данной

установке. В общем случае КПД данного технологического процесса или установки

определяется по формуле

6

т п д т пр.э тр.э пр.м р м. ,

где д т - КПД добычи, транспорта и переработки топлива; пр.э - КПД производства

энергии (тепло, электрическая энергия); тр.э - КПД транспорта энергии; пр.м - КПД

приводов механизмов; р м - КПД рабочей машины, технологического агрегата.

При использовании в данном технологическом процессе нескольких видов

энергоносителей суммарный энергетический КПД рассчитывается по выражению

т п т п( )i ii

n

1

,

где т п i - энергетический КПД для данного вида энергоносителя; i - доля данного

энергоносителя в общем ЭБ рассматриваемого технологического процесса.

Энергетический КПД данного технологического агрегата, рабочей машины,

использующей тепло, определяется следующим образом:

т п

п п.эр

т экз пр

i

Q Q

Q Q Q,

где Qп- полезно используемое тепло в технологическом агрегате; Qп.эр - тепло побочных

(вторичных) энергоресурсов, применяемое в данном технологическом агрегате; Qт - тепло,

вносимое топливом; Qэкз - тепло экзотермических реакций; Qпр - тепло, подведенное с

другими энергоресурсами (электроэнергия, пар и т.д.).

Полезное использование первичных энергетических ресурсов в технологических

процессах колеблется в широких пределах (%):

Силовые процессы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20-35

Высокотемпературные процессы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-45

Средние и низкотемпературные процессы . . . . . . . . . . . . . . . . 30-65

Электрохимические процессы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-25

Освещение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . …… 2-5

Имеется еще очень наглядная величина – эксергия. Эксергия - это часть энергии,

равная максимальной полезной работе, которую может совершить термодинамическая

система при переходе из данного состояния в состояние равновесия с окружающей средой.

Эксергией иногда называется работоспособность системы. Эксергетический КПД

определяется по формуле:

экс

затр пот

затр

ид

ид пот

Е Е

Е

Е

Е Е,

где Езатр - величина затраченной эксергии; Епот - потери эксергии; Еид - затраты эксергии

при идеальном ведении технологического процесса. При использовании в технологическом

процессе ряда энергоносителей и получении разнообразных видов продукции оценку

7

степени совершенства процесса целесообразно проводить по эксергетическому КПД.

Эксергетический КПД «η» может быть представлен в следующем виде:

эксид

ид н т т ид н ид

Е

Е Е Е Е Е Е Е

1

1,

где Е Ен т, - собственные (неизбежные) и технические потери эксергии в

технологическом процессе.

Природные ресурсы энергии

эл

ектр

ом

агн

итн

ое

пол

е З

емл

и

дей

тер

ий

(тер

моя

дер

-

ная

эн

ерги

я)

зе

мн

ая

кор

а

газ

неф

ть

угол

ь,

тор

ф

ур

ан

, тор

ий

сол

нц

е

вет

ер

рек

и,

мор

я,

ок

еан

ы

угол

ьн

ые

и

неф

тя

ны

е

шл

ам

ы

ор

ган

ич

. отход

ы

(др

евес

ны

е ,

сел

ь-

хоз.

, бы

тов

ые)

()))

))отходы

газы

(у

гол

ьн

ый

мет

ан

,

дом

ен. и

кок

с.

газы

, би

огаз,

неф

теф

ак

елы

)

би

отоп

ли

во,

пел

лет

ы

лю

бое

ост

аточ

ное

теп

ло

п

рои

зводст

в.

пр

оц

ессо

в

отр

абот.

ядер

ное

топ

ли

во (

ОЯ

Т)

Рис. 1.3. Природные ресурсы энергии

Существуют различные типы классификации самой энергии (см. рис. 1.3 и табл. 1.1).

Так, энергию подразделяют на первичную (уголь, нефть, газ, уран-238, а также

альтернативные энергоносители) и преобразованную (произведенную из первичной) - тепло,

пар, электрическую, механическую – в двигателях - и др.). Сами же первичные

энергоносители делятся на исчерпаемые (т.е. ископаемые - уголь, нефть, газ, уран-238) и

ИСЧЕРПАЕМЫЕ НЕИСЧЕРПАЕМЫЕ

ВТОРИЧНЫЕ

8

неисчерпаемые - солнце, ветер, геотермальные воды (теплота земной коры), потоки рек,

океанские приливы и др. Кроме того, существует понятие «вторичная энергия» (или

«вторичные энергоресурсы»), т.е. энергия, подлежащая утилизации – это остаточное

(низкопотенциальное) тепло технологической воды или пара, различные органические

отходы, пригодные для сжигания, так наз. «попутные» газы – шахтный метан, биогаз

полигонов ТБО, факелы нефтепромыслов и др. (см. рис. 1.3).

Табл. 1.1. Виды первичной и преобразованной энергии

Виды первичной энергии

Соответствующие им виды

преобразованной энергии

1 Уголь Электроэнергия, пар, кокс

2 Нефть Бензин, керосин, дизельное топливо, мазут

3 Природный газ Электроэнергия, тепло

4 Уран-238, торий Электроэнергия, тепло

5 Реки, моря, океаны Электроэнергия

6 Солнце, ветер Электроэнергия

Важным для понимания проблемы энергосбережения является второе начало (закон)

термодинамики – согласно ему, при преобразовании одного вида энергии в другой

(например, тепло-электричество или бензин-вращение колеса) всегда происходит

уменьшение количества полезной энергии и, в целом, снижение ее качества. Второе начало

термодинамики записывается: dQ TdS , где Q – теплота, Т – температура (°К), S -

энтропия. Т.е., в любой системе вся энергия не может быть потрачена на выполнение

полезной работы, часть ее (к сожалению, как правило, бóльшая) рассеивается в виде

низкопотенциальной (низкокачественной) бесполезной энергии (тепла), повышая энтропию

(а значит – неупорядоченность) окружающей среды. В технологических процессах доля

полезной работы измеряется «кпд» - коэффициентом полезного действия; увы – кпд

производственных процессов намного ниже 50% (см. рис. 1.2). Таким образом, задача

энергосбережения – во-первых, увеличить долю полезной энергии, т.е. кпд процессов, во-

вторых, уменьшить нагрев окружающей среды низкопотенциальным теплом (что приводит к

увеличению ее энтропии) путем его утилизации.

Однако понятие энергосбережения гораздо шире, чем только усовершенствование

производственных процессов. Энергосбережение включает в себя:

1) Переход от ископаемого топлива к возобновляемым источникам энергии;

2) Полная замена бензиновых и дизельных транспортных средств электрическими

или водородными средствами или другим альтернативным транспортом;

3) Утилизация всех видов «вторичной» (низкопотенциальной) тепловой и

кинетической энергии;

4) Увеличение энергетической эффективности использования всего ныне

эксплуатируемого оборудования и действующих технологических процессов;

5) Развитие и внедрение "энергосберегающих" экономических законов и стимулов.

По оценкам Международного Энергетического Агентства (МЭА) перечисленными

выше путями к 2030 г. человечество сможет сэкономить около 90 ЭДж («экса» – это 1018

), в

9

т.ч.: здания – 34%, транспорт – 24%, промышленность – 20%, оборудование – 13%,

освещение – 10%; т.е. экономия [здания + транспорт] – это более 50%. Например, при

сохранении текущих тенденций к 2030 г. лампы накаливания потребят 1600 млрд кВт·час

электроэнергии. Если все эти лампы будут заменены на компактные люминесцентные

лампы, а тем более на светодиоды, это позволит сэкономить к 2030 г. 1200 млрд кВт·час; в

итоге это уменьшило бы мировые расходы только на освещение на 1,3 триллиона долларов и

позволило бы избежать 6,4 млрд тонн выбросов CO2. Еще пример: в большинстве развитых

стран на бытовые приборы, являющиеся одним из факторов быстро растущего количества

потребляемой энергии, приходится более 30% энергопотребления. Считается, что как

минимум одна треть этого количества может быть сэкономлена к 2030 г. путем создания

низкоэнергетических холодильников, кондиционеров, стиральных машин и др. (см. раздел

8.8).

Любые энергосберегающие проекты считаются обоснованными, если:

• они способны привести к экономии большого количества энергии при низких затратах и с

существенными экономическими преимуществами для потребителей;

• они направлены на преодоление существующих недостатков или барьеров рынка, позволяя

инвесторам принимать обоснованные решения и получать существенную выгоду от своих

инвестиций;

• они помогают устранить значительные пробелы в энегетической безопасности государства;

• относительно них существует некий консенсус о том, что согласованные на

международном уровне проекты энергосбережения сократят расходы как правительств, так и

производителей и потребителей.

Одним из множества препятствий к принятию решения в пользу экономически

целесообразных инвестиций в энергосбережение является значительная нехватка

Рис. 1.4. Потребление энергии на единицу ВВП (данные British Petroleum)

10

осведомленности и отсутствие обучения специалистов финансовых организаций по вопросам

возможностей энергоэффективных технологий, наряду с опасениями высоких рисков

осуществления инвестиций в эти технологии.

В международной практике важным критерием, определяющим уровень развития и

экономической стабильности государства является энергоемкость валового внутреннего

продукта (см. рис. 1.4) Э (кг у.т./долл.), которая определяется выражением:

Эввп = [А + 0,172W + 0,364Q]/ВВП (кг у.т./долл.),

где А – потребление топлива, кг условного топлива (у.т.), W – потребление электроэнергии,

тыс.кВт•ч, Q –потребление теплоэнергии, Гкал. Коэффициенты перед W и Q определяют

перевод (Гкал) и (кВт•ч) в (у.т.) с учетом средних значений кпд установок по выработке

теплоэнергии и электроэнергии. Как видно из рис.1.4, общемировая тенденция – резкое

снижение энергоемкости продукции ведущими странами мира.

В настоящее время по энергоэффективности Украина находится на достаточно низком

уровне среди стран мира, особенно по энергоемкости ВВП, которая составляет около 1 кг

нефтяного эквивалента (н.э.)/$, что более чем в 4 раза выше чем в развитых странах. Кстати,

представляет также интерес сравнительный расчет выброса парниковых газов (CO2) «в

духе» Киотского Протокола (см. табл. 1.2).

Таблица 1.2. Сравнительный расчет удельных выбросов CO2

(данные 2012 г.)

Страна Доля

населе

ния

Земли

Мировой ВВП

(ППС)

Выбросы CO2 % CO2 на

1% ВВП

(в отн.ед.) трлн

дол.

%

млрд

т/год

%

США 4,4% 15,5 18,7 6,1 17,4 0,93

Китай 21,0% 8,0 9,6 9,0 25,7 2,7

Россия 2,0 2,5 3,0 2,6 7,4 2,5

Украина 0,7% 0,18 0,2 0,35 1,0 3,5

Всего в мире 7 млрд 83 35,0

Из данных табл. 1.2 (см. последний, правый столбец) еще раз хорошо видно, что на единицу

своего ВВП Россия, а особенно Украина сжигают огромное количество энергоносителей,

разорительное для экономики, губительное для окружающей природной среды.

В 2009 г. в России был принят федеральный закон «Об энергосбережении и

повышении энергетической эффективности» в котором заявлено: «Целью настоящего

Федерального закона является создание правовых, экономических и организационных основ

стимулирования энергосбережения и повышения энергетической эффективности».

В 1998 г. был принят Закон Украины «Про ратифікацію Договору до Енергетичної Хартії

та Протоколу до Енергетичної Хартії з питань енергетичної ефективності і суміжних

екологічних аспектів”, и далее был принят широкий ряд «энергосберегающих» законов и

постановлений.

Таким образом, существует огромный потенциал для повышения энергоэффективности

как российской, так и украинской промышленности, транспорта и коммунального сектора.

11

2. Мировой баланс энергии

В 2010 году мировое потребление энергии выросло на 5,6 процента по сравнению с 2009

годом, и это были максимальные ежегодные темпы роста с 1973 года. British Petroleum («bp»)

презентовал свой прогноз развития энергетики до 2030 года, в соответствии с которым

мировые потребности в энергии вырастут за 20 лет на 35 процентов при росте мирового ВВП

на 100 процентов. Это означает, что за это время средне-мировая энергоемкость продукции

сократится в три раза! (См. также рис. 1.4 из раздела 1).

Хотя в СМИ уже давно ведутся разговоры о том, что запасы нефти и газа скоро будут

исчерпаны – в действительности это не так (см. табл. 2.1). В последние несколько лет во

многих странах – США (см. рис. 2.1), Канаде, Бразилии, Венесуэле, Иране, Ираке,

Туркмении, Азербайджане, Норвегии - открыты новые крупные месторождения нефти и

газа. Другое дело, что есть большая разница между разведанными запасами нефти и газа и

реально доступными месторождениями нефти и газа. Например, разведанные запасы одного

из крупнейших в мире Штокмановского газоконденсатного месторождения (Россия) —

3,7 трлн куб. м газа и 30 млн тонн газового конденсата. Но, во-первых, оно расположено в

центральной части Баренцева моря в 550 км к северо-востоку от Мурманска (см. рис. 2.1), во-

Таблица 2.1. Мировой энергетический баланс

Страна1 Разведанные

запасы

Добыча Потребление

Нефть

(млрд

барре

лей)

Газ

(трлн

м3)

Нефть

(млн

барр.

/день)3

Газ

(трлн

м3/год)

Уран-

238

(т/

год)

Уголь2

(млн

т/год)

Нефть

(млн

барр./

день)

Газ

(трлн

м3/год)

Эл-эн.

(млрд

квт-

ч/год)

США 5004 35

4 7 0,7 1200 1000 18 22 3900

Страны Персид.

Залива5

400 40 10 0,4 - - 5 3 100

Канада 175 25 3,5 0,2 11500 75 5 3,5 600

Россия 100 47 10 0,65 3500 310 3,5 13 1000

Китай 15 3 4 800 2500 8 3,5 3500

Украина 0,4 54 0,002 0,02 800 85 0,9 0,06 200

Весь

мир6

1500 150 90 3500 41500 5500 90 3200 10000

1) Крупнейшим сырьевыми игроками являются Австралия, особенно по добыче урана (9500

т/год) и угля (2100 млн т/год), а также Венесуэла по нефти (запасы – 300млрд барр.) и Иран по

газу (запасы – 30 трлн м3)и нефти (запасы - 150млрд барр.)

2)Разведанные запасы угля в мире – 1 трлн тонн

3) 1 нефтяной баррель – ок. 160 л или ок. 136 кг

4) Включая сланцевые газ и нефть (см. рис. 2.1)

5)Сауд. Аравия, ОАЭ, Кувейт, Катар

6)Примерно 40% полной произведенной энергии тратится на промышленное производство,

около 25% - на транспорт (автомобили, железные дороги, авиация), и остальные 35%

используется в жилых, коммунальных и офисных зданиях на отопление, горячую воду,

освещение и приготовление пищи.

12

вторых, зимой температура там может опускаться до минус 35-40°С. Поэтому для его

освоения требуются огромные инвестиции и длительные сроки – но вот вопрос: окупится ли

такой мегапроект?

Гигантские залежи («deposits») сланцевых газа

и нефти в США

(в границах штатов Колорадо, Юта

и Вайоминг - темные пятна на карте)

1 – Штокмановское газоконденсатное

месторождение (Россия)

Рис. 2.1. Новые месторождения нефти и газа

Рис. 2.2. Схема добычи сланцевого газа

Однако следует отметить быстрое распространение и внедрение новых технологий

добычи ранее недоступных энергоносителей: сланцевый газ и сланцевая нефть (США),

1

13

тяжелая нефть из нефтебитумных песков («tar sands») провинции Альберта (Канада). По

заключению экспертов, к 2025-2030 гг. Северная Америка (США, Канада, Мексика) будет не

только полностью обеспечивать себя нефтью и газом, но и станет их весомыми экспортёром.

По оценке американского Управления по информации в области энергетики (EIA), объем

"технически извлекаемых" мировых запасов сланцевого газа составляет более 180 трлн

кубометров, что примерно соответствует объему разведанных на сегодняшний день запасов

традиционного природного газа.

Технология добычи сланцевого газа выглядит следующим образом (рис. 2.2): (1) –

пробуривается вертикальная скважина; (2) – бур отклоняется от вертикали для более

пологого бурения; (3) – далее бурится горизонтально-наклонная скважина; (4) – в скважину

под большим давлением поступает смесь песка, воды и химикатов (этот этап вызывает у

экологов большие сомнения); (5) – происходит гидроразрыв пласта (т.е. создание

высокопроводительной трещины в целевом пласте); (6) – газ собирается в трубу-коллектор.

В последние годы активно поступает информация об открытии залежей с большими

(подчас баснословными!) запасами метана в глубинных водах и под дном Мирового океана,

так называемого «твердого гидрата метана» - метан там входит в молекулярно-

кристаллическую структуру воды в пропорции 1:6 (СН4 6Н2О), т.е., фактически, вокруг

молекулы метана образуется решетка молекул воды (льда) – см. рис. 2.3. Метангидраты

могут кардинально изменить весь мировой газовый рынок. Сейчас общемировые запасы

метана в традиционных месторождениях составляют около 180 трлн кубических метров

(доля России – около 50 трлн). В сланцевых месторождениях хранится еще около 240 трлн

кубометров метана. Итого – где-то около 420 трлн кубометров. А вот суммарный объем

метана в подводных газогидратах (см. рис. 2.4) оценивается в 5 тысяч трлн кубических

метров, то есть в 10 раз больше, чем «обычных» плюс сланцевых. Этих запасов хватит на

несколько столетий интенсивной эксплуатации! Так, вблизи Аляски (США) были

обнаружены месторождения гидратов метана в виде пластов толщиной до 100 м. По оценке

специалистов, запасы метана в виде гидратов и сопутствующего им «свободного газа» в

Аляскинском месторождении «Nankai Trought» (общая площадь 35000 км2), составляют 10

10

м3 метана. Огромные запасы метангидратов имеются вокруг Японии. В некоторых районах

Рис.2.3. Структура гидрата метана

акватории Черного моря на глубинах 300-1000 м также обнаружены газогидратные залежи

«твердого» метана мощностью (толщиной) до 50 м под дном моря. К сожалению, в мире

пока не существует экономически выгодной и экологически безопасной технологии

14

промышленного извлечения метана из газогидратов. Но все мировые нефтяные компании-

гиганты – американская Exxon Mobil, китайская ChinaNPC, британская British Petroleum,

нидерландская Shell – интенсивно такую технологию ищут и, повидимому, скоро найдут.

В нынешнем, 2013 г. Япония – первая из всех «претендентов» - начала тестовое

испытание уникальной технологии по извлечению газа метана из собственных залежей

метангидратов, запасы которых вокруг Японии оцениваются до 20 триллионов кубометров.

Технология разработана Японским агентством по морским наукам и технологиям

(JAMSTEC). Первые в мире подобные работы осуществляет исследовательское судно

«Тикю» («Земля») в Тихом океане в 80 км к югу от полуострова Ацуми. Глубина моря в этом

месте - примерно 1000 метров, глубина самой скважины в морском дне составила 330

метров; там, на глубине 300-500 м под морском дном и лежит пласт метангидратов.

Рис. 2.4. Схема образования и залегания гидратов метана

Таблица 2.2. Вклад различных энергетических ресурсов

в мировую энергетику

Параметр Ед.

измер. Уголь

Природ-

ный газ

Нефте-

проду-

кты

Ядер-

ная

энерг.

Гидро-

электро-

станции

ВИЭ* Всего

Полная

мощность,

производимая

в мире за год

ТВт**

4,3 3,7 5,1 1,3 1,0 0,6 16

% 27 23 32 8 6 4 100

*) Возобновляемые источники энергии

**) 1 Тераватт (ТВт) = 1012

ватт (1 триллион Вт)

По прогнозам BP (British Petroleum) мировоая доля возобновляемых источников энергии

возрастет к 2035 г. с нынешних 4% до 20%, а на биотопливо будет приходиться 15%

моторных топлив. Например, Китай к 2035 году с помощью гидроэлектростанций, ветряков,

15

солнечных батарей будет получать 2000 тераватт электричества. В ближайшие 30 лет общее

количество солнечной энергии, получаемой в результате использования солнечных панелей

и ветрогенераторов, будет сопоставимо с тем количеством энергии, что мы имеем сейчас за

счет газа, нефти и урана. Этот прогноз вполне обоснован, т.к. последнее десятилетие

технологически передовые страны вкладывают огромные усилия и инвестиции в так наз.

«зеленую» (или «альтернативную», «возобновляемую») энергетику – солнечную и ветровую

энергию, биотопливо, малую («бесплотинную») гидроэнергетику. Отрадно, что инвестиции

в «зеленую» энергетику начинают превосходить инвестиции в энергетику традиционную.

Только за последние три года (2009-2011) суммарная мощность установленных в мире

солнечных станций утроилась (с 13,6 ГВт до 36,3 ГВт). Если говорить обо всех ВИЭ

(ветровая, солнечная, геотермальная и морская энергетика, биоэнергетика и малая

гидроэнергетика), то установленная мощность электростанций в мире, использующих ВИЭ,

уже в 2010 г. превысила мощность всех АЭС и составила около 400 ГВт.

Следует также подчеркнуть, что мировой потенциал альтернативной энергетики

огромен – см. табл. 2.3. Внедрение альтернативной энергетики в странах ЕС привело к

сокращению выбросов СО2 в 2010 г. по сравнению с 1990 г. на полмиллиарда тонн.

Табл. 2.3. Мировой потенциал «альтернативных» энергоресурсов

N. Вид

энергии Мировой

потенциал, ТВт* 1 Солнечная 50000 2 Ветровая 1000 3 Гидро 3500 4 Био 500

*) 1 ТВт (1 тераватт) = 1012

Вт (1 триллион Вт)

Однако ВИЭ имеют пока еще ряд недостатков, над устранением которых сейчас

интенсивно работают ученые и конструкторы. Основные недостатки ВИЭ, сдерживающие их

продвижение на энергетический рынок:

- Нестабильность (суточная и сезонная) энергетических потоков (солнце, ветер, гидро);

- Низкая плотность энергетических потоков: солнечное излучение в полдень ясного дня - 1

кВт/м2, среднегодовая плотность потока – не более 250 Вт/м

2 (для средней полосы Украины

или России – 120 Вт/м2);

-ветровой поток при скорости ветра 10 м/с - 500 Вт/м2;

-водный поток при скорости 1 м/с - 500 Вт/м2;

Для сравнения: плотность теплового потока на стенках топки парового котла достигает

нескольких сотен кВт/м2. В результате – для ВИЭ необходимы бóльшие площади

приемников, высокая материалоемкость и более высокая стоимость производимой энергии.

В табл. 2.4 приведена структура энергетики Украины в сравнении с некоторыми

европейскими странами. Из таблицы видно, что как раз те энергоносители, которые Украина

вынуждена импортировать (природный газ, нефть, урановые топливные стержни) занимают

в ее энергоструктуре (40 + 10 + 14) = 64%, что с точки зрения не только энергетической и

экономической безопасности, но также государственной безопасности Украины –

абсолютно недопустимо! В то же время, например, Польша довела использование

собственного угля для энергетики до 62%! (Да, с экологической точки зрения – это минус, но

с точки зрения всех остальных видов безопасности - единственный выход для «безгазовой» и

«безнефтяной» Польши). Также обращает на себя внимание «энергоповедение» другой

16

страны - Швеции, не имеюшей собственных месторождений нефти и газа: кроме атомной

энергетики, она сделали ставку на гидроэнергетику и ветроэнергетику (того и другого в

Швеции сколько угодно).

Имеется два вида удельных энергозатрат: а) количество энергии на одного жителя

данной страны (Вт/чел-год) – это показатель уровня жизни; б) количество энергии на $1

производимого в стране ВВП (Вт/$1 ВВП) – это показатель энергоэффективности страны.

Таблица 2.4. Сравнительная структура энергетики Восточной Европы

в 2010 г. (%)

Страна Уголь Нефть Природ-

ный газ Атомная

энерге-

тика

Гидроэнер

гетика «Альтерн.»

энергетика

Украина 33 10 39 14 2 2

Польша 62 22 11 нет 0,5 4,5

Швеция 5,5 29 1,5 31,5 14,5 18

Если разделить произведенную в мире энергию (16 ТВт – табл. 2.2) на 7 млрд населения,

получим средний расход энергии 2,3 кВт на человека. Но это «в среднем». Реальный

удельный расход для США – 10,3 кВт/чел, а в Бангладеш – 0,21 кВт/чел – в 50 раз ниже или

всего 2% от уровня потребления в США. И это не есть успехи энергосбережения в

Бангладеш, а это - проблема социального неравенства в мире. Что касается энергоемкости, то

здесь неоспоримое преимущества имеют технологически «продвинутые» страны – Япония,

Германия, США. Украина, к сожалению, находится внизу (табл. 2.5).

Таблица 2.5. Энергоемкость ВВП в различных странах

Страна Энергоемкость ВВП

(тонн н.э./долл. ВВП)*

Япония 0,1

Германия 0,13

США 0,19

Китай 1,0

Индия 1,1

Россия 1,9

Украина 2,5 *) н.э. – нефтяной эквивалент; 1 т н.э. – ок. 42 ГДж («гига» - 10

9 – 1 миллиард)

По данным ООН, население планеты от нынешних (2012 год) 7 млрд человек вырастет к

2050 году до более чем 9 млрд. За то же время потребность в энергии вырастет вдвое.

Поэтому единственный реальный путь удовлетворить эти будущие потребности – начать

прямо сейчас интенсивно развивать энергосбережение и возобновляемые источники энергии

(ВИЭ).

17

3. Снижение энергоемкости производств за счет модернизации

технологических процессов

3.1. Металлургическое производство

Один из возможных путей энергосбережения в промышленности – модернизация

технологических процессов на промышленных предприятиях. Так, суммарные

энергетические затраты на производство 1-й тонны металлургической продукции

снижаются, например, при увеличении полезного объёма доменных печей, выплавки стали в

дуговых электропечах (вместо мартеновских), при применении непрерывной разливки стали,

кислородного дутья, при уменьшении доли чугуна и увеличении доли металлолома в

сталеплавильном переделе и др. (см. табл. 3.1).

Таблица 3.1. Затраты энергии на производство металургической продукции

Вид продукции Кг у.т./т*

Чугун 650

Сталь мартеновская 120

Сталь конверторная** 20

Электросталь 80

Прокат 100 *) у.т. – «условное топливо»; 1 кг у.т. = 7000 ккал = 29300 кДж

**) Кислородно-конверторное производство — это процессы получения стали путем продувки

кислородом жидкого передельного чугуна в специальном агрегате — конверторе. Процесс плавки идет без

подачи топлива извне, а нагрев металла обеспечивается теплом экзотермических реакций окисления примесей

чугуна (кремний, сера, фосфор, остаточный углерод).

Однако научно-технические прорывы обещают радикальные изменения в

конструкционных материалах недалекого будущего. Так, уже сегодня металлоконструкции

активно замещаются так наз. композитными материалами, особенно углепластиками (это

полимерные композитные материалы из переплетённых нитей углеродного волокна,

расположенных в матрице из эпоксидных смол). Их преимущества: высокая прочность,

ударопрочность и жесткость (прочность и модуль упругости выше, чем у стали), легкость (в

несколько раз легче стали, и даже легче алюминия), абсолютная коррозионная стойкость и

высокая износостойкость, возможность изготавливать цельные конструкции больших

размеров (без сварки и болтовых соединений). Наиболее активные области применения –

ракетно-космическая техника, авиастроение, автомобилестроение. Например, новейший

американский «Boeing-787-Dreamliner» - первый в мире самолет, изготовленный на 50% из

композитных материалов на основе углерода. В новом авиалайнере из композитных

полимеров изготовлены в том числе крылья и фюзеляж. Широкое использование

углепластика по сравнению с традиционным алюминием позволило значительно уменьшить

вес самолета и сократить использование топлива на 20% без потерь в скорости.

Но еще более радикальные изменения в металлургии (и машиностроении) принесут

нанотехнологии и 3D-технологии.

Нанотехнологии в будущем неизбежно частично или полностью ликвидируют многие

традиционные энергозатратные и экологически грязные виды тяжелой промышленности,

такие как металлургия, а также стадии обработки металла (прокат, штамповка, сварка,

токарные работы и т.д.). Так, американо-израильская компания «ApNano» создала новые

материалы, которые, будучи многократно прочнее и легче стали, могут стать основой для

18

необычайно прочной нано-брони. Новые материалы названы "неорганические фуллерены"

(inorganic fullerene - IF) – см. рис. 3.1. С точки зрения химии, они представляют собой

сульфиды металлов: вольфрама, молибдена и титана. Ученые

Рис. 3.1. Контур из нанотрубок и наносфер в десятки раз прочнее, легче и устойчивей

к коррозии, чем стальная труба или железобетонный столб

научились синтезировать их в непривычных формах, в виде наночастиц – трубок и сфер –

подобных углеродным нанотрубкам и шарикам-фуллеренам с поперечником всего в десятки

атомов. Составленные из таких частиц материалы показывают необычайно высокую

прочность и превосходную способность абсорбировать удар, сохраняя после воздействия

начальную форму. Так, в опытах образцы IF на основе вольфрама останавливали стальные

снаряды, летящие на скорости 1,5 км/с (при этом в точке удара создавалось давление до 250

тонн на квадратный сантиметр), а также - выдерживали статическую нагрузку в 350 тонн на

квадратный сантиметр. Аналогичные образцы на основе титана оказались еще более

прочными, чем вольфрамовые и к тому же вчетверо легче. Эти материалы могут быть

использованы для создания корпусов ракет, самолетов, морских судов и морских субмарин,

небоскребов, автомобилей, бронемашин и в других целях.

Специалисты из технологического университета Сиднея (UTS) использовали

комбинацию химической и тепловой обработки, чтобы аккуратно отделить от графита

одноатомные слои, очистить их и выложить как «бутерброд» в идеально выровненную

структуру из гексагональных решёток атомов углерода — графеновую бумагу (graphene

paper — GP). Хотя удельная масса GP в пять-шесть раз ниже, чем у стали, испытания

показали, что новый материал, будучи гибким, как бумага, в два раза твёрже и в десять раз

прочнее при растяжении, нежели углеродистая сталь. А модуль упругости при изгибе

оказался выше стали в 13 раз! Исследователи полагают, что графеновая бумага окажется

великолепным конструкционным материалом, востребованным в авиационной,

автомобильной и оборонной отраслях, да ещё — экологически чистым и экономически

эффективным.

NASA решила использовать технологию 3D-печати на основе селективной лазерной

плавки (SLM – Selective Laser Melting) как замену металлургии (подобнее см. расдел 3.6).

Недавно сложную деталь для космической ракеты сделали с помощью лазерной трехмерной

печати, в процессе которой лазер сплавляет металлическую пыль в деталь определенной

формы. Таким образом, без единого шва или винтового соединения удалось изготовить

крышку: важную деталь, которая, по-сути, управляет работой турбонасоса двигателя.

Данный элемент двигателя подвергается воздействию больших температур и давления, и тем

не менее испытания подтвердили надежность «напечатанной» детали. Изготовление деталей

19

по технологии SLM занимает считанные дни вместо месяцев, кроме того, SLM-технологии

делают производство последней ступени ракеты на 35% дешевле.

3.2. Нефтепереработка

Большое количество энергии (в расчете на $1 прибыли) в нефтепереработке можно

сэкономить путем значительного повышения глубины переработки нефти. В Украине из

одной тонны сырой нефти получают 45% мазута, 30% дизтоплива, 15% керосина и лишь 10-

15% бензина (а разница в цене мазута и бензина А95 – 6500 грн/т!) - см. табл. 3.2). В то же

время в США из той же тонны сырой нефти получают 40-45% бензина. Т.е. энергетические и

сырьевые затраты для получения одной и той же прибыли в США в разы меньше, чем в

Украине или России. Показатель глубины переработки нефти G обычно используется как

показатель эффективности нефтепереработки (хотя это не совсем точно):

G = (P – PM – L)/P, где:

P - количество нефти, поступившей на переработку; PM – количество произведенного

мазута; L - количество «внутренних» потерь и потерь топлива на собственные нужды. В

России и Украине этот показатель составляет около 70%, в США - выше 90%. Однако

вместо «глубины переработки» лучше использовать термин «эффективность переработки».

Например, такой процесс, как каталитический риформинг, направленный на повышение

октанового числа бензина, почти не влияет на глубину переработки, однако на тонне А95 по

сравнению с А80 выигрывается 700 грн (табл. 3.2).

Табл. 3.2. Цены на нефтепродукты (Украина, 2011 г.)

Нефтепродукт Цена, грн*/т

Бензин А80 11500

Бензин А95 12200

Дизтопливо 10300

Авиакеросин ТС-1 12100

Масло И50 1120

Мазут М-100 5500

*) 1 USD = 8 грн

3.3. Когенерация

Ещё один путь повышения кпд котлов - это так наз. «когенерация» (рис. 3.2) - т.е.

встраивание в схему работы угольного (мазутного, газового) котла газотурбинной или

парогазовой установок (ГТУ или ПГУ – см рис. 3.2а), которые будут отбирать у газа или

пара «лишнюю» (остаточную) энергию. В состав такой установки входят котел-утилизатор и

паровая (газовая) турбина с электрогенератором на общем валу. Например, в котлах

заводских ТЭЦ получается пар с давлением 10-15 ат, а необходимое рабочее давление для

его использования в цеху или др. объекте для обогрева не более 2-4 ат. Эти 2-4 ат получают

за счет сбрасывания «лишнего» давления пара на дросселе, т.е фактически выбрасывают

огромную энергию пара высокого давления «в никуда». Если на пути

«пятнадцатиатмосферного» пара вместо дросселя поставить паровую турбину

20

Рис. 3.2. Сравнительная схема раздельного (традиционного) и совместного

(когенерационного - низ рисунка) производства электроэнергии и теплоты («Система когенерации» - это ПГУ - парогазовая установка )

Рис. 3.2а. Принципиальная схема парогазовой установки (ПГУ):

1 — забор воздуха; 2 — компрессор; 3 — топливо; 4 — камера сгорания; 5 —газовая

турбина; 6 — выхлоп отработанных газов; 7 — электрогенератор; 8 — котел; 9 —

паровая турбина; 10 — конденсатор; 11 — насос; 12 — подогреватель высокого

давления; 13 — регенеративный подогреватель на отходящих газах (экономайзер)

21

с электрогенератором – вы будете получать как бы «дармовую» электроэнергию, а после

турбины пар как раз и будет иметь нужные 2-4 ат. Когенерация повышает кпд «угольного»

котла с 40-60% до неслыханных 80-90%!

Как видно из рис. 3.2, применение когенерационных технологий позволяет поднять кпд

производства энергии в 90/58=1,55 раз, т.е в седнем в полтора раза! Вместо того, чтобы

топить отдельно котел электростанции, а отдельно – котел теплоцентрали, топят один котел,

пар от которого сперва крутит паровую турбину с электрогенератором, а ПОСЛЕ турбины

уже подается в теплосеть (тепла у такого «остаточного» пара еще вполне хватает).

3.4. «Чистый уголь»

Весьма дорогостоящий проект «Чистый уголь» сейчас реализуется в США. Под него

выделено $2,4 млрд, из них $1,5 млрд выделено на проекты по улавливанию и утилизации

парнилового углекислого газа, а около $800 млн пойдет на разработку технологий «чистого

сжигания» угля, т.е. с минимальными выбросами токсичных газов. Для последней цели

будут опробованы технологии добавки водорода в пламя. Большое исследование показало,

что водородная добавка к ископаемому топливу (к любому топливу, используемому для

индустриальных котлов – природный газ, мазут и даже уголь) значительно, улучшает

процесс топливного сжигания и существенно уменьшает выбросы токсичных газов в

атмосферу. Т.е. скорость и полнота сгорания растут, а концентрационные пределы горения

топлива существенно расширяются, когда соотношение водород-углерод (H/C) в ископаемом

топливе становится более чем 1,5. Согласно теории Хиншельвуда-Семенова (за что они

Рис. 3.3. Схема проекта «Чистый уголь» 1 – котел тепловой электростанции; 2 – биореактор для утилизации CO2 (биохимический синтез

топлива по реакции [nCO2 + nH2O = CnH2n + (3/2)nO2]); 3 – генератор электроэнергии (паровая

турбина с ротором электродвигателя на одной оси); 4 – электролизер (на это тратится 3% от

произведенной электроэнергии); 5 – электроэнергия в сеть

получили Нобелевскую премию в 1956 г.), атомарный водород [H] является самым активным

центром цепных реакций горения (например, скорость распространения [H] в пламени в

бактерии

уголь

пар

5

22

четыре раза выше, чем скорость распространения для атомов кислорода [O], и энергия

активации для таких реакций с участием [H] в несколько сотен или тысяч раз меньше.

Известно, что подобные технологии используются газификации угля синтезом Фишера-

Тропша (компания "Sasol", ЮАР) и для получения топлива из битуминизированной нефти

(компания “Syncrude Канада”). Обычно достаточно добавлять в процесс 2-5 вес.% Н2. Есть

хорошие перспективы использования подобной технологии, чтобы увеличить эффективность

сжигания любого ископаемого топлива в ныне эксплуатируемых индустриальных котлах и

печах. С этой целью необходимо использовать небольшую часть электроэнергии,

произведенной электростанцией, для получения водорода электролизом воды, и этот водород

впрыскивать в область сгорания угля в котле (см. рис. 3.3). Что касается выбросов

парникового газа CO2, то проект предусматривает «декарбонизационную» схему работы. Для

этого предварительно очищенный от пыли и сжатый углекислый газ будет поступать в

биореактор, где специальные генномодифицированные бактерии (типа Ralstonia eutropha)

будут превращать его в углеводородное топливо по реакции [nCO2 + nH2O = CnH2n + (3/2)nO2].

Ученые Калифорнийского университета (CalTech) воспользовались тем, что эта бактерия

умеет использовать молекулы муравьиной кислоты в качестве источника водорода. Ralstonia

eutropha поглощает молекулы кислоты, расщепляет ее на молекулу водорода и углекислого

газа и использует Н2 как «топливо», а СО2 – в качестве «стройматериалов» клетки. При этом

муравьиную кислоту достаточно легко получить, если одновременно пропускать через воду

углекислый газ (в т.ч. и как продукт горения!) и электрический ток.

Однако следует понимать, что любая реконструкция технологических процессов в

тяжелой промышленности - замена мартеновской печи на дуговую электропечь,

модернизация нефтеперегонных колонн и др. – это очень дорогостоящий и длительный

проект с долгим сроком окупаемости, требующий высокого доверия инвесторов, «длинных»

банковских кредитов и т.д.

3.5. Сельскохозяйственные предприятия

Важным направлением энергосбережения в сельском хозяйстве является применение

более прогрессивных технологий основной обработки земли и подготовки ее к посевам.

Именно эти операции наиболее энергоемки – на них приходится до 40% энергозатрат.

Важным направлением снижения энергоемкости производства сельскохозяйственной

продукции является повышение урожайности за счет внедрения новых сортов и гибридов,

современных интенсивных технологий, рациональной и эффективной борьбы с сорняками,

вредителями и болезнями сельскохозяйственных культур. Энергосбережение в современном

растениеводстве тесно связано как с системой обработки земли, так и со структурой

сельскохозяйственных культур, которые выращиваются, а также системами сбора и хранения

урожая. Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов в отрасли в этот

период во многом будет определяться оптимизацией структуры посевных площадей за счет

увеличения посевных площадей таких малоэнергоемких культур как ячмень (85 кг

дизтоплива на гектар), горох (80 кг/га), люцерна (50 кг/га) и уменьшение посевов

высокоэнергоемких культур - сахарной и кормовой свеклы (220 кг/га), кукурузы на зерно с

досушиванием (400 кг/га) и др. Наиболее энергоемкой операцией при выращивании

зерновых и кормовых культур является сбор урожая. Для колосовых эти прямые расходы

составляют 45-50% от общего объема, причем 25% энергорасходов приходятся на

транспортировку к местам хранения зерна и соломы. Для силосной кукурузы расход

горючего на сбор и транспортировку составляют уже 60%. Приведенные факты показывают,

23

что основные резервы сбережения прямых расходов горючего надо искать именно в этих

технологических циклах.

Большую экономию энергии сулит применение низкоэнергетических "безплужных"

технологий ("no-till", т.е. "без вспашки"). Эти технологии ведут вспашку на глубину 5-6 см

вместо традиционных 30 см, а вместо плуга там используется фреза, что в 4-5 раз может

сократить расход дизтоплива (со 100 до 20 л на 1 га зерновых). Эта технология также

позволяет сократить количество проходов техники по полю, что экономит горючее, меньше

изнашивает оборудование, а также меньше уплотняет почву.

Однако недавно ученым удалось собрать все эти идеи в одном проекте – «Вертикальная

ферма» (“Farmskyscraper” или «Vertical Farm»). Давайте вообразим в центре города-

миллионника 30-ти-этажный небоскреб без окон с площадью основания один гектар

(100х100 м) - см. рис. 3.4. На каждом его этаже размещены пять рядов гидропонных

контейнеров, т.е. с каждого этажа можно снимать урожай с общей площади 5 гектар, а всего

с небоскреба - 30х5=150 гектар. Поскольку в “сельскохозяйственном небоскребе”

температура и влажность являются всегда постоянными, можно снимать урожай 3-4 раза

ежегодно (даже если эта вертикальная ферма расположена на Северном полюсе!). Со

средним урожаем пшеницы 50 центнеров от одного гектара (такие урожаи имеют место в

Евросоюзе), полный ежегодный урожай для “сельскохозяйственного небоскреба” будет

150х50х3=22.500 центнер/год. Сбор урожая будет полностью автоматизирован. Кроме того,

сельскохозяйственные небоскребы, изолированные от окружающей среды, будут защищены

от паразитов и болезней, и это позволит полностью отказываться от любых химических

гербицидов. Очень важно и то, что мы перемещаем сельское хозяйство непосредственно в

города, где большинство населения и проживает - в результате транспортные расходы резко

упадут. Местные органы власти многих городов из США, Китая, Южной Кореи, ОАЭ уже

выразили серьезный интерес к вертикальным фермам.

Вертикальная ферма

Стеллажи гидропонных поддонов с урожаем

Рис. 3.4. Вертикальная ферма

Также, в настоящее время большинство сельхозкультур, обеспечивающих более 70%

рациона человека (в первую очередь это пшеница, рис, кукуруза), являются однолетними, и

каждый год приходится высаживать их заново, что требует больших ресурсозатрат. Через

15-20 лет будут созданы многолетние зерновые культуры, которые потребуют меньше

удобрений, энергии и др., чем однолетние зерновые.

24

3.5.1. Искусственное мясо. Группа ученых из университета Маастрихта (Голландия)

«приготовила» искусственно выращенный мясной фарш, который был получен из стволовых

клеток свиньи. "Экологическая" свинина была создана "в пробирке", используя миобласты

(mioblast) свиньи, которые ученые поместили в культурную среду, созданную на основе

крови свиньи. По их прогнозам, покупатели будут видеть на витринах колбасу с таким мясом

к 2015 г.

Отобрать у коровы или свиньи мышечные стволовые клетки — процедура довольно

простая. Животное при этом практически не пострадает. В лаборатории эти клетки

помещаются в особую среду и вскармливаются эмбриональной сывороткой — плазмой,

остающейся в крови после формирования сгустков, которые выделяют из организма

нерождённого плода. В результате вырастают маленькие полоски ткани, которые затем

начинают ежедневно растягивать на специальных установках, имитируя работу мышц и

заставляя будущий бифштекс расти. Ученым уже удалось вырастить кусочки мышц длиной

примерно два сантиметра длиной и один сантиметр шириной. Первое искусственное мясо

оказалось безвкусным. По цвету и консистенции оно напоминают мясо кальмара. Но в

дальнейшем куски синтетического мяса с добавлением крови и искусственного жира станут

исходным сырьем для гамбургера новой эпохи. Для выращивания мяса «в пробирке» энергии

потребуется втрое меньше, а воды – в 10 раз меньше, чем на производство того же

количества свинины, а особенно говядины обычными способами, а выбросы парниковых

газов снижаются в 20 раз по сравнению с выбросами при выращивании скота на убой (ведь в

настоящее время для производства 15 г животного протеина нужно скормить скоту 100 г

растительного протеина, таким образом, кпд традиционного метода получения мяса

составляет лишь 15%). Искусственный "мясозавод" требует намного меньше земли (займет

всего 1% земли по сравнению с обычной фермой той же производительности по мясу).

Кроме того, в стерильных искусственных условиях можно получить экологически чистый

продукт, без всяких токсичных металлов, глистов, лямблий и прочих «прелестей», часто

присутствующих в сыром мясе. К тому же, искусственно выращенное мясо не нарушает

этических норм: не надо будет выращивать скот, а затем безжалостно его умерщвлять.

Американская компания Modern Meadow также изобрела технологию «индустриального»

изготовления мяса животных и натуральной кожи. Процесс создания таких мяса и кожи

будет включать в себя несколько этапов. Сначала учёные отберут миллионы клеток у

животных-доноров. Это может быть как скот, так и экзотические виды, которых часто

убивают только ради их кожи. Затем эти клетки будут размножены в биореакторах. На

следующем этапе клетки будут центрифугироваться для удаления питательной жидкости и

соединения их в единую массу, которая затем при помощи 3D-биопринтера будет

сформирована в слои. Эти пласты клеток будут снова помещены в биореактор, где

произойдёт их "созревание". Клетки кожи сформируют коллагеновые волокна, а клетки

"мяса" образуют настоящую мышечную ткань. Этот процесс займёт несколько недель, после

чего мышечная и жировая ткань может быть использована для производства пищевых

продуктов, а кожа – для обуви, одежды, сумок. Сейчас один грамм «лабораторного мяса»

стоит около $1000, но при массовом производстве цена будет снижена в десятки раз. Фирма

твердо намерена выйти с этой разработкой на рынок продовольственной и промышленной

продукции. Интересно, что инвестором «мясных» исследований стал Питер Тиль (Peter Thiel)

- основатель системы электронных платежей PayРal и один из крупных инвесторов

Facebook.

25

3.6. 3D-принтеры

3D-принтер — устройство, использующее метод послойного создания физического

объекта на основе виртуальной 3D-модели (рис. 3.5). Т.е. 3D-принтеры позволяют создавать

по введенной в память цифровой трехмерной модели практически всё, что угодно. В отличие

от обычных принтеров, 3D-принтеры печатают не фотографии и тексты, а «вещи» -

промышленные товары (по-научному это называется «стереолитография». В остальном они

действительно очень похожи. Как и в обычных принтерах, применяются две технологии

формирования слоёв – лазерная и струйная. У 3D-принтера тоже есть "печатающая" головка

и "чернила" (точнее, заменяющий их рабочий материал). Некоторые 3D-принтеры

формируют объекты из расплавленного пластика или склеивают их из специального порошка

на основе гипса или крахмала; другие используют в качестве рабочего материала жидкий

фотополимер, который затвердевает при обработке ультрафиолетовым лазером; третьи -

спекают металлический порошок с помощью лазерного или электронного луча. Фактически,

3D-принтеры - это те же специализированные промышленные станки с числовым

программным управлением, но на абсолютно новой научно-технической базе XXI века. Т.е.

3D-печать может осуществляться разными способами и с использованием различных

материалов, но в основе любого из них лежит принцип послойного создания

(«выращивания») твёрдого объекта.

Рис. 3.5. 3D-принтер для «домашней» печати бытовых товаров

Использование 3D-принтеров для производства товаров приведет к колоссальным

изменениям производственного сектора, а именно:

А) переход к от промышленного к локальному и даже «домашнему» производству

большинства хозбытовых товаров;

Б) многократный рост качества и разнообразия товаров;

В) многократное сокращение потребности в сырье и энергии;

Г) многократное сокращение транспортных расходов из-за децентрализации

производства;

Д) замена традиционного машиностроения на технологию 3D-печати на основе

селективной лазерной плавки (SLM – Selective Laser Melting) или метода прямого

металлического лазерного спекания (Direct Metal Laser Sintering - DMLS) (сырье -

26

металлические порошки); эти технологии обеспечивают высокую точность изготовления –

до 20 микрон, и не требуют дальнейшей обработки изделий, а изготовление сложнейших

деталей по 3D-технологиям сокращает длительность и стоимость процесса в десятки раз.

Эти технологии уже осваивает NASA.

Е) возможность локального производства мясных продуктов на основе 3D-биопринтеров

в черте города и даже на дому из биоматериалов. (Часть 3D-биопринтеров будут

специализироваться на выращивании человеческих органов из биоматериала – но это

направление, разумеется, не для «домашнего» производства).

Датская компания «DUS Architects» планирует возвести полноразмерный дом, печатая

его компоненты на огромном 3D-принтере «KamerMaker» прямо на стройплощадке. 3D-

принтер KamerMaker отличается внушительными размерами: высота конструкции равна

трем с половиной метров. Так что стройиндустрию также ждет «3D-революция»! (Кстати,

Amazon, крупнейший в мире интернет-ритейлер, начинает массовую продажу 3D-принтеров

открытием интернет-подразделения, в котором можно купить как сами устройства, так и

необходимое для «печати» сырье).

27

4. Утилизация вторичных энергоресурсов (ВЭР) за счет

неиспользуемых потоков энергии

Речь идет об утилизации:

а) неиспользуемого остаточного тепла горячих потоков (как высокопотенциального – от

потоков с температурой 400°С и выше, так и низкопотенциального - с температурой ниже

300°С);

б) неиспользуемой энергии нефтегазовых факелов;

в) потерь электроэнергии;

г) неиспользуемого остаточного тепла нагретых поверхностей;

д) неиспользованной «лишней» кинетической энергии сжатых газов и водяного пара, а также

падающих потоков воды.

4.1. Остаточное тепло отходящих газов и паров в технологических процессах.

Очень важно для энергосбережения отбирать остаточное тепло (энергию) отходящих

газов и паров в технологических процессах. Это намного дешевле и эффективней, чем

затевать масштабную реконструкцию всего завода. Как правило, температура отходящих

газов различных промышленных печей и нагревательных устройств колеблется от 500°С (в

печах с регенераторами) до 1000°С в термических, прокатных, кузнечных, цементных печах

без регенерации (см. табл. 4.1), что позволяет вырабатывать в котлах-утилизаторах пар для

технологический и энергетических нужд. Наилучший вариант – котлы-утилизаторы с

многократной принудительной циркуляцией (МПЦ). Котел-утилизатор – это паровой

котёл, не имеющий собственной топки и использующий тепло отходящих газов каких-либо

промышленной или энергетической установки (см. рис. 4.1). Температура газов,

поступающих в котел-утилизатор, колеблется от 350-400°С (при установке котла-

утилизатора за мощными двигателями дизель-генераторами) до 900-1500оС (за

отражательными, рафинировочными и цементными печами).

Таблица 4.1. Покатели выхода остаточной энергии для энергоемких

технологических процессов

Технологический

процесс и

оборудование

Вид энергии и ее параметры Удельный

выход энергии,

Возможная

выработка

вторичного

тепла, %/т

сырья

Доменная печь

(выплавка чугуна)

Доменный газ (горючий)

Вода-пар, охлаждающие

агрегат (Т=150-250°C, P=3-5атм)

4 МДж/м3

0,5 Гкал/т

4 (100%)

0,25 (35-50%)

Мартеновская

печь 1-2-х-ванная

(выплавка стали)

Отходящие газы (Т=700-

1400°C);


агрегат (Т=150-250°C, P=3-8

атм)

0,5-0,75 Гкал/т

0,2 Гкал/т

0,25 (35-50%)

0,05 (25%)

28

Электросталепла-

вильная печь


1300°C)

0,3 Гкал/т 0,15 (50%)

Нагревательная

печь для стальных

заготовок (прокат)


1500°C);


агрегат (Т=150-250°C, P=до 40

атм)*

0,3 Гкал/т

0,6 Гкал/т

0,1 (35%)

0,2 (35%)

Коксовые батареи Коксовый газ (горючий)

5,5 МДж/м3 5,5 (100%)

Нефтепромыслы Попутный газ (горючий) 30 МДж/м3 30 (100%)

Каталитический

риформинг нефти

Отходящие газы (Т=400-600°C)

0,3 Гкал/т 0,2 (65%)

Горшковая печь

для плавки стекла


1300°C);

1,7-2,7 Гкал/т 1,0 (37-60%)

*) При таком высоком остаточном давлении пар может быть направлен не в котел-утилизатор, а на турбину для выработки электроэнергии.

Рис. 4.1. Схема котла-утилизатора с многократной принудительной циркуляцией

1 — барабан; 2 — испарительная часть; 3 — пароперегреватель; 4 — водянойэкономайзер

Необходимо подробнее остановиться на коксовом и доменном газах. Как показано в

табл. 4.1, коксохимические и металлургические заводы являются источником ещё одного

вида ценных "энергоотходов" -коксового и доменного газов. Ранее эти газы, главным

образом, сжигались на факелах, сейчас их использование в качестве топлива уже гораздо

шире. Коксовый газ является одним из продуктов коксования. Его примерный состав после

цеха улавливания (в объ. %): Н2 55—60, СН4 20—30, СО 5—7, CO2 2—3, N2 3-5,

29

ненасыщенных углеводородов 2—3, О2 менее 1, Н2S - 10-30 г/куб.м. Плотность при норм.

условиях 0,45—0,50 кг/м3; теплота сгорания (низшая) 17,5 Мдж/м

3 (4,0—4,5 тыс. ккал/м

3);

теплоёмкость 1,35 кдж/(м3·К); температура воспламенения 600—650 °С. Коксовый газ

токсичен и взрывоопасен (пределы взрываемости в воздухе — от 6 до 30%). Средний выход

коксового газа на 1 т сухой шихты — около 300 м3. Доменный газ - это отходящий газ

доменных печей, представляющий собой продукт, главным образом, неполного сгорания

углерода (кокса). Химический состав (при выплавке чугуна на каменноугольном коксе): CO2

- 12—20%, СО 20—30%, СН4 до 0,5%, Н2 - 1—4%, азота - 55—58%. Теплота сгорания

довольно низкая - примерно 3,6—4,6 Мдж/м3 (850—1100 ккал/м

3). При обогащении дутья

кислородом содержание азота в газе снижается и соответственно этому возрастает

количество горючих газов (в том числе оксида углерода и водорода), а также теплота

сгорания. Однако для получения возможности экологически чистого сжигания и доменный,

и коксовый газы необходимо подвергать дополнительной очистке. Доменный газ,

содержащий 50-60 г/м3. пыли при работе печи с повышенным давлением на колошнике (и

15-20 г/м3 - с нормальным давлением), должен быть очищен от пыли перед его отправкой на

сжигание до достижения концентрации пыли не выше 10 мг/м3. Для очистки газа до столь

низких концентраций пыли на металлургических заводах применяют многоступенчатые

комбинированные схемы сухой и мокрой очистки. Для использования в качестве топлива

своего коксового газа Авдеевский КХЗ, например, вынужден был приобрести

дорогостоящую датскую установку сероочистки. Все КХЗ Украины производят около 8

миллиардов м3 коксового газа.

Огромным источником низкопотенциального тепла являются системы охлаждения

технологических агрегатов. Это тепло практически нигде не утилизируется. Как правило,

Рис. 4.2. Схема пароэжекторной охладительной установки: 1 – рабочий пар; 2 – нагретая охлаждаемая среда; 3 – охлажденная среда; 4 – охлаждающая вода;

5 – нагретая охлаждающая вода; А – мгновенный испаритель; В – пароструйный эжектор; С – конденсатор контактного типа.

рассеивание тепла в атмосферу производится на градирнях или аппаратах воздушного

охлаждения. К водооборотным системам охлаждения предъявляются требования не только

30

сброса тепла, но и охлаждения теплоносителя до заданной температуры. Практика

показывает, что наиболее широко применяющиеся аппараты – градирни, в летний период

работают с перегрузкой, не обеспечивая необходимое охлаждение оборотной воды. Работа

градирен летом характеризуется большой потерей воды (испарение, брызгоунос) и

охлаждением только лишь на 3-50С. В процессе выпарки, являющимся одним из наиболее

энергоемких промышленных процессов, для экономии греющего высокопотенциального

пара давно и успешно используются пароструйные эжекторы. В этих аппаратах выпар

(инжектируемая среда), имеющая параметры как выше атмосферных, так и ниже, сжимается

под действием первичного котельного пара более высоких параметров (рис. 4.2).

4.2. Попутный нефтяной газ Еще один внушительный источник дополнительной энергии - утилизация энергии

попутного нефтяного газа (ПНГ) нефтепромыслов. Эта проблема - поистине глобальна. В

настоящее время в мире ежегодно впустую сжигается порядка 150 млрд. куб. м. попутного

газа (в составе которого 70-80% метана и 10% этана и пропана, остальное – тяжелые

углеводороды), что эквивалентно 30 процентам ежегодного потребления газа странами ЕС

или 75 процентам общего объема экспорта газа из России. При сжигании факельных газовых

выбросов происходят потери не только ценного углеводородного сырья, но и наносится

значительный ущерб окружающей среде: загрязнение сажей и токсичными веществами, а

также загрязнение СО2. Однако альтернативы нет, - если газ не ликвидировать, он убьет все

живое вокруг.

Рис. 4.2а. Блок-схема переработки попутного нефтяного газа

31

Основные решения по утилизации попутного нефтяного газа, которыми сегодня могут

воспользоваться нефтедобывающие компании таковы (рис. 4.2а):

1. Переработка ПНГ средствами нефтехимии;

2. «Малая энергетика» на базе ПНГ (сжигание в котлах для получения пара и выработки

электроэнергии);

3. Закачка ПНГ и смесей на его основе в пласт для повышения нефтеотдачи;

4. Переработка газа на синтетическое топливо (метод «GTL»- «Gas to liquids», реализующий

технологию Фишера-Тропша);

5. Сжижение подготовленного (т.е. предварительно очищенного) ПНГ.

Согласно проведенному анализу к перспективным направлениям промысловой

утилизации ПНГ сегодня относятся:

• микротурбинные или газопоршневые установки, покрывающие потребность

нефтепромыслов в электрической и тепловой энергии;

• малогабаритные установки сепарации для получения товарной продукции: топливного

метана на собственные нужды, ШФЛУ(широкая фракция легких углеродов), газового

бензина и др.;

• технологические линии по конвертации ПНГ в метанол и синтетические жидкие топлива по

технологии GTL (автомобильный бензин, дизтопливо и т.п.).

4.3. Производственные паропроводы

Больщие потери тепла имеют место в производственных паропроводах. К примеру, на

предприятии, где себестоимость пара примерно $18/Гкал, обследование выявило несколько

сот метров неизолированных паропроводов. С учетом данных табл.4.2, ежегодные потери

тепла обошлись предприятию в 20,5 тыс. долл., т.е., например, если ничего не

предпринимать, за 10 лет эти потери составят свыше 200 тыс. долл. Но вот теплоизоляция

этих нескольких сот метров паропроводов обойдется явно намного меньше 200 тыс. долл.!

Таблица 4.2. Теплопотери паропроводов

Номинальный диаметр

паропроводов, мм

Потери тепла на 100 м неизолированного паропровода,

Гкал/год

Давление пара, кг/см2

1 10 21

25 115 235 310

100 345 700 925

300 870 1800 2400

4.4. Потери электроэнергии

Электроэнергия, полученная сетями любой региональной сетевой компанией (РСК) и

зафиксированная приборами учета на границах балансовой принадлежности, складывается

из таких составляющих: 1. Полезный отпуск - электроэнергия, полученная и оплаченная

потребителями; 2. Производственные нужды энергосистемы; 3. Транзит - электроэнергия,

протекающая по сетям РСК в сети смежных АО-Энерго и в сети потребителей; 4. Потери

электроэнергии. Относительно потерь нужно понимать, что электроэнергия - единственный

вид продукции, для перемещения которой на расстояние не используются другие ресурсы -

она расходует часть самой себя, т.е. эта часть потерь – собственно, не потери, а расходы

32

энергии на ее же транспортировку. Относительные потери электроэнергии в Украине – 20-

25%. Абсолютные потери электроэнергии в электрических сетях России составляют около

100 млрд. кВт•ч, а относительные — 13-15%. В некоторых энергосистемах относительные

потери достигли 15-20%, а в отдельных распределительных сетях — 30-50%. Потери

электричества в сетях для США были в 2007 6,5% в среднем (приблизительно 250

миллиардов кВт-ч ежегодно).

По закону Ома, сила тока равна I=U/R. Это значит, что для максимализации величины

электрического тока и минимизации потерь нужно повышать напряжение в ЛЭП и

уменьшать сопротивление проводов. Поэтому «высоковольтность» ЛЭП становится все

выше и выше – так, в США строят ЛЭП 1200 киловольт.

Как уже отмечалось выше, традиционная система передачи электроэнергии по

высоковольтным линиям приводит к высоким потерям энергии. Кроме того, необходимо

потратить примерно 50-55 кг меди на 1 кВт электроэнергии, передаваемой по линиям

высокого напряжения (от генератора электростанции до любого здания). Эти проблемы

могут быть решены при использовании новейших систем передачи электричества с высокой

производительностью.

Наметилась тенденция по использованию HVDC (high-voltage direct current) – это

высоковольтная линия электропередачи постоянного тока (т.е. она использует для передачи

электроэнергии постоянный ток, в отличие от более распространенных ЛЭП переменного

тока). Высоковольтные ЛЭП постоянного тока более экономичные при передаче больших

объёмов электроэнергии на большие расстояния. Например, использование постоянного тока

для подводных ЛЭП позволяет избежать потерь реактивной мощности, из-за большой

ёмкости кабеля, неизбежно возникающих при использовании переменного тока. В

зависимости от напряжения и способа преобразования тока потери в HVDC могут быть

снижены до 3% на 1000 км. Самая длинная HVDC-линия в мире в настоящее время

находится в Китае: её длина 1980 км, мощность 6400 МВт при 800 кВ. Приблизительные

затраты на первичное оборудование для биполярной HVDC-линии на 500 кВ мощностью

2000 МВт составили: преобразовательные станции — 110 млн евро, подводный кабель +

монтаж — 1 млн евро на каждый км

Фирма «American Superconductor» производит криогенные сверхпроводящие кабели

для электрических сетей высокого напряжения и большой силы тока. Это тонкой медный

кабель в полой трубе небольшого диаметра, заполненной жидким азотом. Использование

таких кабелей для сетей большой мощности (5 ГВт и больше) на больших расстояниях (1-2

тысячи км и больше) может принести много выгоды. Во-первых, эффективность передачи

электроэнергии по сверхпроводящему кабелю составляет почти 100% (т.е. нет потерь!). Во-

вторых, один сверхпроводящий кабель для линии 5 GW будет в 10 раз более тонким, чем

обычный медный кабель. В третьих, криогенный кабель может быть положен под землей с

"зоной безопасности" 5-10 м, в то время как обычная ЛЭП той же самой мощности требует

полосу отчуждения шириной 100-200 м, и сотни металлический опор высотой 30-50 м (см.

рис. 4.3).

33

Рис. 4.3. Сравнение обычной линии высокого напряжения (1) и криогенного

сверхпроводящего кабеля (2)

Сейчас усиленно разрабатывается монопроводная высокочастотная система передачи

электроэнергии (точнее - метод передачи активной мощности с помощью реактивного

емкостного тока с использованием резонансных свойств однопроводной линии), основанная

на идеях выдающегося американского физика Николы Тесла (рис. 4.4). В соответствии с

электрoдинамикой Максвелла, поляризационный ток не дает потерь в виде тепла, потому что

Рис. 4.4. Лабораторная схема резонансной высокочастотной монопроводной системы

передачи электроэнергии

1 – преобразователь частоты; 2 – корректор «управляющего сигнала»; 3 - расширитель

частоты; 4 – резонансный трансформатор Тесла; 5 – источник питания; 6 – «мостик»; 7 – нагрузка;

L – однопроводная линия передачи

для него нет никакого сопротивления в проводнике. Таким образом, во-первых, тепловые

потери в таких сетях уменьшаются 8-10 раз, во-вторых, вместо трех проводов цветного

металла будет только один стальной провод с диаметром в 10-15 раз меньше, так как

плотность потока в этом проводе может быть в сотни раз выше. Команда ученых из

Массачусета (MIT) разработала реальный способ «резонансной передачей энергии», при

которой мощность катушки способна без проводов передавать электричество на другое

устройство, содержащую подобную катушку. «Мы собираемся передавать энергию без

4

5 6

7

34

каких-либо проводов», – сообщила доктор Кэти Холл, главный технический директор

стартапа «WiTricity». «Я даже не могу себе представить, как изменится наша жизнь».

В трансформаторах различают потери активной мощности, не зависящие от нагрузки (Р0),

нагрузочные (Рнагр) и добавочные (Рдоб) потери, определяемые режимом работы (величиной

нагрузки) трансформатора, итого: ΣР = Р0 + Рнагр + Рдоб. Потери в трансформаторах могут

быть существенными. Так, при потреблении энергии на обследуемом малом предприятии в

среднем 15400 кВт в месяц, потери в трансформаторе составляли 6500 кВт, т.е. более 40%!

*****

Имеется несколько путей сокращения потерь электроэнергии в производственных

процессах, например, утилизация так наз. «реактивной» электроэнергии, регулирование

частоты переменного тока, и др. Так, известно, что в зависимости от вида используемого

оборудования, нагрузка подразделяется на активную, индуктивную и емкостную. Наиболее

часто потребитель имеет дело со смешанными активно-индуктивными нагрузками.

Соответственно, из электрической сети происходит потребление как активной, так и

реактивной энергии. Активная энергия преобразуется в полезную – механическую,

тепловую и пр. энергии. Реактивная же энергия не связана с выполнением полезной работы,

а расходуется на бесполезное создание электромагнитных полей в электродвигателях,

трансформаторах, индукционных печах, сварочных трансформаторах, дросселях и

осветительных приборах. Реактивный ток дополнительно нагружает линии электропередачи,

что приводит к увеличению сечений проводов и кабелей и соответственно к увеличению

капитальных затрат на внешние и внутриплощадочные сети. Реактивная мощность наряду с

активной мощностью учитывается поставщиком электроэнергии, а следовательно, подлежит

оплате по действующим тарифам, поэтому составляет значительную часть счета за

электроэнергию. Показателем потребления реактивной энергии (мощности) является

коэффициент мощности сos(φ). Он показывает соотношение активной мощности Р и полной

мощности S, потребляемой электроприемниками из сети: сos(φ) = P / S. Таким образом,

видно, что при отсутствии компенсации реактивной мощности потребитель использует

лишние несколько десятков процентов энергии и переплачивает за потребление реактивной

энергии 30–40% общей стоимости. Наиболее действенным и эффективным способом

снижения реактивной мощности является применение компенсаторов реактивной

мощности (КРМ). В зависимости от природы реактивной мощности КРМ может быть как

индуктивного характера (индуктивный реактор) так и емкостного (конденсатор).

Индуктивные реакторы используют, как правило, для компенсации емкостной составляющей

мощности (линий электропередач большой протяженности). Конденсаторные батареи

используют (см. рис. 4.5) для компенсации реактивной составляющей индуктивной

мощности, что ведет к снижению полной потребляемой из сети мощности (печи

индуктивности). Использование КРМ позволяет разгрузить питающие линии

электропередачи, трансформаторы и распределительные устройства, снизить расходы на

оплату электроэнергии, сделать распределительные сети более надежными и экономичными.

35

Рис. 4.5. Эффект от применения конденсаторных

батарей в качестве КРМ

Расход электроэнергии на освещение (как в производственных и офисных помещениях,

так и – в меньщей степени – в жилых домах) можно дополнительно сократить на 30-40%

путем установки реле-регуляторов. Реле-регулятор (типа SCO-811 и др.) служит для

включения- выключения ламп накаливания и галогенных ламп, а также для автоматического

регулирования освещенности помещений. Освещение может управляться несколькими реле,

установленными в разных точках помещения.

Устройства в технологических цепях, создающие объёмный или «поштучный» расход,

такие как вентиляторы, насосы, компрессоры, транспортеры и др., часто применяются без

регулирования скорости вращения приводных электродвигателей. При этом расход

контролируется традиционными способами с помощью дросселей, клапанов, заслонок и т.д.

Однако при том, что в технологических процессах необходимость в максимальной подаче

возникает весьма редко – электродвигатели постоянно работают на полную скорость

вращения, из-за чего напрасно расходуется большое количество энергии. Если же применять

принцип частотного регулирования, в данных узлах технологической цепочки можно

экономить не менее 50% электроэнергии. Преобразователи частоты переменного тока

(ПЧПТ) – это устройства, предназначенные для контролируемого изменения скорости

вращения электродвигателя путём трансформации входного напряжения (220 или 380 вольт)

в импульсное выходное с частотой от 0 до 600 Герц. При этом на обмотках электродвигателя

создаётся переменный синусоидальный ток с регулируемой амплитудой и частотой.

Использование частотного преобразователя для асинхронных двигателей (рис. 4.6) для

36

Рис. 4.6. Эффект энергосбережения при частотном регулировании

скорости вращения электродвигателя 1 – заслонка; 2 - частотный регулятор (ПЧПТ).

регулирования скорости вращения вентиляторов, насосов, а также движения конвейеров и

транспортировочных устройств даёт значительную экономию электроэнергии; тот же

результат получается в случае использования этого метода регулировки при управлении

насосными или вентиляторными установками. Благодаря его применению без труда удаётся

поддерживать в системе нужное давление и регулировать её производительность. В

настоящий момент часть регулируемых электроприводов в странах СНГ составляет менее

10%, в то время как в индустриально развитых странах превышает 60-70%. Использование

частотного преобразователя позволяет экономить до 40% электроэнергии в

производственных механизмах (насосы, вентиляторы, компрессоры, др.). Доведение в

Украине части регулируемого электропривода до 60% позволило бы экономить свыше 20

млрд.кВт/год электроэнергии.

4.5. Транзит природного газа

В мире прокачивается по трубопроводам миллиарды куб. метров природного газа.

Масштабный резерв неиспользуемой кинетической энергии можно найти в системе

«Укртрансгаза», где имеется свыше 450 газоперекачивающих станций (ГПС) и 1300

газораспределительных станций (ГРС). На ГПС стоят газо-турбинные установки (ГТУ), для

работы которых сжигается в год (с кпд всего 25%) пять млрд куб.м перекачиваемого

природного газа, а газ после турбины с температурой около 500°С, как правило,

выбрасывается в атмосферу. Если ГТУ дооснастить котлом-утилизатором и паровой

турбиной с электрогенератором на общем валу, кпд повысится до 55%, а каждый процент

кпд экономит за год 200 млн куб.м газа – итого 4 млрд куб.м в год!

ГРСы «разводят» газ из магистральных газопроводов к потребителям. При этом давление

природного газа снижается с 12-ти до 2-х атмосфер, в основном, на дросселях, а

выделяющаяся на них огромная энергия также не утилизируется. Если этот перепад

сбрасывать на встроенных в цикл детандер-генераторах, можно получить дополнительно

свыше 2 млн кВт/час электроэнергии. Турбодетандерные электростанции (рис. 4.7), их еще

1

2

37

называют «Утилизационные энергетические турбодетандерные установки» («УТДУ»),

предназначены для выработки электроэнергии путем рекуперации потенциальной энергии

избыточного давления сжатого газа на узлах его редуцирования. Хотя основное применение

Рис. 4.7. Технологическая схема турбодетандерной установки:

1 — первая ступень турбодетандера; 2 — сепаратор (пропан + бутан + вода) — газ; 3

— вторая ступень турбодетандера; 4 — электрогенератор; 5, 6 — теплообменники-холодильники; 7

— сепаратор (пропан + бутан) — вода; 8 — разделительная перегородка турбодетандера.

турбодетандеры нашли в технологических процессах получения жидких водорода,

кислорода, воздуха, азота и других криогенных газов, однако ныне турбодетандеры все чаще

начинают применяться в процессах утилизации избыточной «даровой» энергии

дросселируемого природного газа при распределении газовых потоков, транспортируемых

по магистральным газопроводам, по потребителям. Большие перспективы применения

турбодетандеров есть также в технологических процессах производств с применение пара в

качестве основного энергоносителя (нефтеперерабатывающие и химические заводы), а также

на газовых и нефтяных промыслах.

4.6. Энергия шахтных вод

Послужить энергетике могут и закрытые угольные шахты, хотя на них добыча угля

уже прекращена. Известно, что одним из основных источников загрязнения гидросферы

является сброс шахтных вод в гидрографическую сеть. Объёмы этого сброса огромны -

например, в Донбассе они равны 700 млн м3/год) и превышают объёмы естественного стока

всех 250-ти рек Донбасса (в среднем 600 млн м3/год). При закрытии угольных шахт в

Донбассе, высокозасоленные воды (в ср. 3-5 г/л, что в 1000 раз больше ПДК!) из нижнего

(карбонового) горизонта быстро (самопроизвольно) поднимаются вверх и происходит

засоление верхних питьевых горизонтов, а также подтопления обширных территорий. Их всё

равно приходится откачивать и сбрасывать в ближайший водоем (предварительно пропустив

через отстойник, что делается, к сожалению, далеко не всегда).

Закрытие угольной шахты всегда создает три проблемы:

1) Сокращение количества энергетических ресурсов (в этом случае - уголь) в данном

38

регионе;

2) Потеря значительного количества рабочих мест;

3) Опасный подъем шахтных вод на поверхность близко к жилым районам (угроза

подтопления территорий).

Предлагаемая технология решает частично все эти проблемы одновременно, т.к.

закрытые угольные шахты могут быть преобразованы в источник энергии (см. рис. 4.8).

С этой целью необходимо подкачать теплую воду (40-50°С) из низкого горизонта 1 (500-

800 м) и направить в тепловой насос 6 для теплообмена (именно «подкачать», т.к. большая

часть воды сама поднимается вверх под действием мощного горного давления). Вода из

Рис. 4.8. Схема рекуперации тепловой и кинетической энергии шахтных вод

(проект М. Краснянского): 1 - нижний горизонт; 2 – восходящий шахтный ствол; 3 - гидродинамический насос; 4 - средний

горизонт (вода повышается до него за счет горного давления без внешних источников энергии); 5 - массив угля и породы; 6 - тепловой насос; 7 - верхний горизонт; 8 – нисходящий ствол; 9 - водная

дамба; 10 - водные турбины с электрическими генераторами; 11 - трансформаторная станция.

глубины угольной шахты наверх подкачивается с помощью каскада так называемых

гидродинамических насосов 3 (это одновременно и насос, и нагреватель). Фактически, такой

насос нагревает воду благодаря прямому поглощению водой тепловых потерь насоса.

Поэтому, температура воды на верхнем горизонте 7 перед тепловым насосом достигает 60-

70ºC. Охлажденная вода снова направляется вниз в угольную шахту («самотеком» - из-за

вода

горяч. вода для потребит.

вода

39

огромной разницы высот), при этом вода последовательно падает на одну или несколько

гидротурбин ("водные колеса") 10 с электрическими генераторами на их оси, производя

электроэнергию. Одна такая «вновь открытая» шахта способна обеспечить горячую воду и

электричество приблизительно для 300-500 1-2-х-этажных зданий (плюс 50-100 новых

рабочих мест).

4.7. Тепло нагретых поверхностей

На любом производственном предприятии имеется огромное количество нагретых

открытых поверхностей (наружные стенки котлов, печей, теплообменников, паропроводов,

множество нефте-химического и химико-технологического оборудования, где процессы идут

при повышенных температурах и т.д.). Фактически, все эти нагретые стенки обогревают

окружающее пространство, которому, кстати, это излишнее тепло совершенно не нужно .

Также, в транспортных средствах двигатели внутреннего сгорания очень неэффективно

используют энергию для работы, и значительная часть энергии тратится на бесполезный

нагрев двигателя. Принцип действия термоэлектрического генератора (ТЭГ) основан на

применении эффекта Зеебека, открытого еще в 1821 г. Он заключается в появлении

электродвижущей силы в замкнутой цепи из двух разнородных материалов при условии, что

на местах контактов поддерживаются разные температуры (см. рис. 4.9). В местах контактов

различных материалов заряды переходят от проводника, где они имели более

Рис. 4.9. Схема термоэлемента

40

Рис. 4.10. Принцип работы пленочного термоэлектрического генератора (ТЭГ)

высокую энергию, в проводник с меньшей энергией зарядов. Если один контакт нагрет

больше, чем другой, то разность энергий зарядов между двумя веществами больше на

горячем контакте, чем на холодном, в результате чего в замкнутой цепи возникает ток. Как

видно из рис. 4.9, полупроводниковый термоэлемент, работающий в режиме ТЭГ, состоит из

p- и n-ветвей (обладающих разными знаками коэффициента термоэлектродвижущей силы),

коммутационных пластин горячего и холодного спаев (Tr и Tx) и активной

нагрузки R.

В Northwestern University (Чикаго) создали наноматериал с высокой

термоэлектрической эффективностью на основе теллурида висмута, который способен

напрямую конвертировать до 25% тепловых потерь (остаточного тепла) в электричество на

основе наноструктурированных пленок (рис. 4.10). Как видно на рис. 4.10, слева находится

нагретая поверхность, справа – холодная зона (например, окружающий воздух), а между

ними – пленка ТЭГ, где и образуется электрический потенциал, который на предыдущем рис.

4.10 подводится к любой активной нагрузке R (например, к лампочке).

4.8. Неиспользованные пищевые потоки

Прежде всего, необходимо подчеркнуть, что речь идет не о пищевых отходах, а о

пищевых продуктах, годных к употреблению. Т.е. речь идет не о, например, картофельных

очистках, а о неиспользованной, годной к употреблению картошке, которая стала

«пищевыми отходами» только ПОСЛЕ того, как ее (при полной пригодности!) выбросили в

мусорный бак. Это же касается и десятков наименований других пищевых продуктов.

Например, в настоящее время средне-статистический американец, потребляя в день 2600

калорий, выбрасывает в мусор неиспорченных продуктов ещё на 1400 калорий. В общей

сложности, 30% всех пищевых продуктов, производимых в США, выбрасывается в мусор. В

размерах страны энергетическая ценность всех выбрасываемых продуктов составляет 150

триллионов калорий, а экономическая цена – свыше 100 миллиардов долл (в среднем

американская семья из четырех человек ежегодно выбрасывает продуктов на 2 тысячи

долларов). В результате получается, что на неиспользованные пищевые продукты

расходуется около четверти всей потребляемой пресной воды, а также 300 млн баррелей

нефти в год. В Великобритании обстоят дела не лучше. Около 8,3 млн тонн продовольствия

холод

41

оказывается на свалках (30% от производимых продуктов). Причём из них 5,3 млн тонн

продуктов ещё пригодны к употреблению. Среднестатистическая британская семья ежегодно

выбрасывает продуктов на сумму 680 фунтов стерлингов. Чаще всего, из продуктов ещё

пригодных к употреблению, выбрасывают овощи, фрукты и мясная продукция. В целом,

жители Евросоюза ежегодно выбрасывают 90 млн тонн несъеденных продуктов, а каждый

гражданин Евросоюза ежегодно выбрасывает на свалку в среднем 180 кг овощей, фруктов,

мяса и других продовольственных товаров.

В Украине за год на помойку, по подсчетам независимых экспертов, отправляется

примерно 7 млн т пищевых отходов (как негодных, так и годных к употреблению –

раздельных данных нет). Из этого объема треть отсортировывается в процессе производства,

еще треть выбрасывают розничная торговля и кулинария. Оставшиеся 35-40% отправляют в

мусор уже непосредственно в отечественных домохозяйствах. Все городское население

Украины выбрасывает продуктов примерно на 500 млн грн.

Нужно понимать, что, кроме затрат энергии на производство пищевых продуктов, эти

пищевые продукты имеют также собственную энергетическую ценность. Приведем данные

российского академика лауреата Нобелевской премии Н. Семенова, согласно которым в 1972

г. мировой урожай составлял 7,5⋅109 тонн зерна и кормовых культур, а мировая добыча

горючего - 6⋅109 тонн условного топлива (у.т.). Если считать, что калорийность пищи и

кормов в сухом виде составляет около 4⋅106 ккал/т против 7⋅10

6 ккал/т для «условного» (т.е.

усредненного) природного топлива, то окажется, что энергоемкость пищи и кормов,

производимых в год, составляет около 70% энергоемкости добываемого за это же время

горючего.

Недавно в США впервые открылось маленькое студенческое кафе так называемой

"помойной кухни". Всё меню заведения состоит из продуктов, найденных в мусорных баках

(разумеется, это не «объедки», а продукты в упаковке). Авторы идеи — студенты из Бостона.

42

5. Утилизация вторичных энергоресурсов (ВЭР) из отходов

5.1. Угольные и нефтяные шламы В шламоотстойниках углеобогатительных фабрик (и др. угольных предприятий) Донбасса

и др. угольных бассейнов Украины находится около 50 млн тонн угольного шлама. Даже при

его средней зольности 75-80% - это может дать до 15-20 млн тонн будущего угольного

концентрата. А один непрогоревший «антрацитовый» терриконник средней массой 2 млн

тонн содержит до 10-15% угля (т.е. до 300 тысяч т антрацита). Наиболее экономически

оправдано повторное обогащение шламов, особенно коксующихся углей для получения

угольного концентрата, т.к. стоимость конечного продукта – "вторичного" кокса достаточно

высока – св. 100 USD/тонна. Обогащение же шламов энергетических углей - дело гораздо

менее рентабельное. В табл. 5.1 приведен гранулометрический состав пробы угольного

шлама из шламонакопителя цеха углеподготовки Ясиновского КХЗ (рис. 5.1).

Таблица 5.1. Гранулометрический состав угольного шлама ЯКХЗ

Размер, мм Доля частиц данного

размера, %

Зольность, %

+ 1 1,3 10,6

1 – 0,5 4,6 29,2

0,5 – 0,3 10,7 41,8

0,3 – 0,14 11,4 58,6

- 0,14 72,0 62,4

Итого: 100,0 Средн. 53,6

Как видно из таблицы 5.1, чем выше размер частицы, тем ниже её зольность, но - увы-

тем меньше таких частиц в общей массы пробы. Основную массу шлама (72%) составляют

очень мелкие частицы (менее 140 микрон) с очень высокой зольностью (62,4%). Проблема

ещё и в том, что поверхность этих мелких и долго пролежавших в накопителе частиц

пассивирована и «вяло» реагирует почти на все технологии обогащения.

Рис. 5.1. Шламонакопитель Ясиновского КХЗ

Целесообразно переработку таких шламов (и тем более антрацитовых породных

отвалов) производить по месту складирования (без транспортных расходов) в мобильных

комплексах (рис. 5.2), где шлам сжигается в котле-газификаторе, а газ пускается на

турбогенератор для получения электроэнергии: 1 т необогащенного шлама даёт 1,2 МВт

43

электроэнергии (с учетом всех потерь) довольно низкой себестоимости – 6-8 коп. за кВт.

Один такой мобильный комплекс может давать 25 млн квт-ч/год электроэнергии, причем

может раз в 2-3 года «кочевать» от одного шламонакопителя к другому.

В правом нижнем углу показаны точки отбора проб шлама и результаты анализа его

зольности. Как видно из приведенных цифр, на данном участке накопителя в шламах

содержится 45-55% угля! - Не на всякой шахте "свежедобытая" угольная масса имеет такую

хорошую зольность! А ведь этот шлам в этом шламонакопителе уже не нужно "добывать",

вывозить на поверхность и т.д. - т.е. фактически мы имеем "техногенное" месторождение

угля (причем почти бесплатное).

Рис. 5.2. Технологическая схема утилизации угольного шлама

(проект М. Краснянского)

44

Как видно из рис. 5.2, первая операция - это выемка шлама из накопителя

экскаватором и складирование его на отдельной площадке (в объёме хотя бы недельной

нормы переработки). Это делается как с целью "усреднения" состава шлама, так и с целью

его естественной сушки (в зимнее время работы по утилизации не ведутся). Далее имеются

два варианта.

А) Необогащенный шлам поступает в гранулятор, а затем гранулы поступают в котёл-

газификатор (типа "Лурги", т.е. в котле имеется давление 10-15 МПа и нет достаточного

количества воздуха). Далее полученный "синтез-газ" проходит очистку и подаётся на

турбину электрогенератора (еще лучше - газодизеля); электроэнергия используется для

внутренних нужд (для продажи её потребителям предприятие должно иметь специальную

лицензию, а её получать сложно и дорого!). Зола из котла возвращается в чашу накопителя.

Б) Шлам поступает на пульпоподготовку, затем пульпа в сепаратор на первичное

обогащение крупных фракций ("зернистые" фракции более 3 мм); далее - на вторичное

обогащение наиболее мелких (а это самое сложное!) фракций ("иловые" фракции менее 1,5

мм, которые составляют 70% массы шлама - см. табл. 6.1); для этого используется

обогатительный комплекс "СМА" (селективное масляное обогащение). Обогащенный шлам

может поступать как на сжигание в тот же котёл "Лурги" (но теперь теплота сгорания шлама

будет в 2-3 раза выше, а зольность в 2-3 раза ниже), так и на брикетировочный пресс, где

будут производиться топливные брикеты. Они являются товарным продуктом со

следующими стандартными параметрами:

-размер и вес: 48х46х25 мм, 40 г:

-зольность: до 25%;

-сера: до 1%;

-летучие: до 10%;

-мех. прочность при сбрасывании: до 90%;

-рабочая теплота сгорания: 5000-6500 ккал/кг.

Нефтешламы и смолистые остатки КХЗ - это жидкие и пастообразные отходы

нефтедобычи и нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ), а также коксохимзаводов - КХЗ

(кислые смолки, кубовые остатки, фусы, гудрон и др.), которых в Украине накоплено много

миллионов тонн, чему способствуют 15 наших КХЗ и особенно шесть украинских НПЗ с

глубиной переработки нефти, не превышающей 60%.

Есть два пути утилизации нефтешламов. Один путь - создание региональных

шламоперерабатывающих комплексов (см. рис. 5.3), которые обеспечивают сбор

нефтешламов с ближайших мест нефтедобычи и с НПЗ (а также КХЗ) с последующей их

переработкой. Такой комплекс может принимать и перерабатывать 100-150 тыс. тонн

нефтешламов в год и производить 35-50 тыс. тонн "нефтяного полупродукта", состоящего из

дизтоплива, мазута, битума, кубового остатка и др. Такой комплекс расходует около 2,5 млн

кВт-час/год и стоит около 5 млн долл. Переработка нефтешламов заключается в удалении из

них воды и механических примесей, а также в снижении содержания в них смолисто-

асфальтовых соединений и высокоплавких парафинов. В результате "на выходе" получаются:

восстановленная нефть, состав для дорожного покрытия (типа асфальта), техническая вода

(очищенная до содержания нефтепродуктов не более 0,5 мг/л) – табл. 5.2.

45

Таблица 5.2. Сравнение параметров нефтешламов и восстановленной из них нефти

№ Наименование показателя Нефтешлам Восстановл.

нефть

1 Плотность (при 15 ºС), г/см3 0,904 0,883

2 Вязкость (при 80 ºС), сСт 56,7 46,6

3 Содержание, % масс.

-воды

-мехпримесей

-серы

-асфальтенов

-парафинов

8

3

1,8

4

12

0,1

следы

1,9

3

4

4 Температура застывания, ºС 53 27

5 Температура вспышки (в откр.

тигле), ºС

55

21

5 Н.К. 91 47

6 Выкипает, 5 объ., при t ºС:

10%

20%

30%

169

278

312

120

212

264

46

Рис. 5.3. Схема функционирования регионального

нефтешламоперерабатывающего комплекса

Другой путь - сжигание нефтешламов "как они есть" вблизи шламохранилищ в

специальных небольших мобильных печах НТКС (т.е. с низкотемпературным кипящим

слоем) производительностью 2-5 тонн отходов/час и получением 4-5 Гкал/час тепла (для

нужд близлежащего завода). Для этих целей можно, например, использовать печь, с

псевдоожиженым слоем, изображенную на рис.5.4.

47

Рис. 5.4. Схема работы печи с псевдоожиженым слоем:

1 — плотная фаза ожиженного слоя; 2 — разбавленная фаза ожиженного слоя, 3 - печь, 4 —

распыленный ожиженный материал, 5 —камера, 6 — циклонный сепаратор, 7 — труба для возврата

материала, 8 — газораспределительныя решетка

Хранение и утилизация нефтешламов переросло в настоящую экологическую проблему и

является очень дорогостоящим процессом. Ликвидация многочисленных шламовых амбаров,

расположенных на объектах нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности, а также

переработка донных отложений нефтяных резервуаров всегда означает еще и решение

экологических проблем. В тоже время обеспечивается разгрузка резервуарных парков и

полигонов хранения промышленных отходов. Переработка нефтесодержащих отходов не

только уменьшает расходы на их хранение, но также может приносить прибыль. Примерный

исходный состав нефтешлама: нефть - 43 %; вода - 50 %; примеси - 7 %. В результате

переработки нефтешламов могут быть получены следующие продукты: топливо дизельное -

20%; котельное топливо - 22%; вода очищенная (с содержанием механических примесей

менее 1%) - 48 % (может использоваться в технологическом процессе в качестве

технической воды); твердая фаза – кек (может использоваться в дорожном строительстве).

5.2. Водоугольное топливо (ВУТ)

ВУТ – это дисперсная топливная система, создаваемая на основе утилизируемой

угольной пыли (или тонкоизмельченного угля) воды и (в случае необходимости)

нефтешламы

48

Рис. 5.5. Схема участка приготовления ВУТ:

1 – цементовоз; 2 – бункер для угольной пыли; 3 – грохот для измельчения; 4 – шнековый питатель; 5

– бункер для добавок; 6 – смеситель пыли с водой; 7 – нагнетатель; 8 – бункеры готового продукта

(ВУТ); 9 – насос подачи ВУТ в топку

химических добавок, например, водорастворимых добавок-пластификаторов (не более 1%).

Если пылевых отходов на угольной шахте или разрезе (при открытой добыче) недостает - в

качестве измельчителей используются дезинтеграторные мельницы, а также кавитационные

гомогенизаторы. Т.е. ВУТ представляет собой высококонцентрированную водоугольную

суспензию (соотношение по массе вода : угольная пыль = 1 : 2-3). Водоугольное топливо

является хорошей альтернативой дефицитному в Украине мазуту (ВУТ горит в котлах без

«подсветки», т.е. без подачи газа), при этом, в отличие от мазута, может транспортироваться

по трубопроводам на большие расстояния, пожаробезопасен и обеспечивает экологически

чистое низкотемпературное горение без эмиссии окислов азота. Такая технология почти

безотходна.

49

Рис. 5.6. Схема участка сжигания ВУТ:

1 – расходный бак; 2 – насос винтовой; 3 – вариатор; 4 – форсунка ВУТ; 5 – печь с топкой кипящего

слоя; 6 – вентилятор; 7 – горелка для розжига; 8 – вентилятор подачи воздуха

Таблица 5.3. Сравнительные технико-экономические показатели работы

котла ДКВР 6,5-13 (данные за 2000 г.)

Параметры

Топливо

Уголь

«Д»-концентрат

ВУТ из

«Д»-

концентрата

Низшая теплота сгорая, ккал/кг 5585 3940

Тепловая мощность котла, Гкал/час 3,68 3,68

Потери тепла от механического недожега, % 46,4 1,9

К.п.д. котлоагрегата, % 43,75 87,25

Часовой расход топлива, т/час 1,27 0,98

В том числе угля, т/час 1,27 0,64

Стоимость угля, долл/т 42 42

Годовое рабочее время, час 3600 3600

Годовой расход угля, т/год 4572 2304

Расходы на уголь, долл/год 192024 96768

Удельная стоимость приготовления ВУТ, долл/т 3,0

Годовая стоимость приготовления ВУТ, долл. 10584

Общая стоимость ВУТ, долл/год 107352

Годовая экономия от сжигания ВУТ, долл. 84672

50

5.3. Отходы животноводства и птицеводства, городские отходы

Так называемый биогаз получается путём анаэробного метанового сбраживания

органических отходов животноводства, птицеводства, осадков городских канализационных

отстойников, а также «зелёных» отходов растениеводства. Сырьё почти неисчерпаемое и

практически бесплатное! Например, по имеющимся данным, одна «усреднённая» корова

выдаёт 6 тонн навоза в год (свинья – меньше 1 тонны/год). «Биокотёл» производительностью

(на «входе») 25 т/сутки навоза (50% влажности) выдаёт 2500 куб.м/сутки метансодержащего

(65-75%) газа (т.е. 100 куб.м биогаза из 1 т навоза); теплотворная способность биогаза – 10-

15 тыс. кДж/куб.м – в зависимости от содержания метана. В «осадке» в котле остаётся

биогумус - прекрасное органическое удобрение. Интересно отметить, что если азот

«обычного» навоза усваивается растениями лишь на 50%, то азот биогумуса (т.е.

«перебродившего» навоза) – на 95%, что приводит к повышению урожайности любых

культур на 15-20%. Технология практически безотходна – см. рис.5.7.

Как правило, реальные установки имеют два метантенка. Метановое брожение

происходит в первичном метантенке (ферментере), температура в котором постоянно

поддерживается на уровне 35-400С. Поступающая для брожения смесь перемешивается

электрическими мешалками до однородного состояния. Остаточное дображивание и

дальнейшее хранение происходит во вторичном реакторе, который также подсоединен к

газовой сети установки. Очистка биогаза от сернистых соединений производится путем

наддува небольшого количества воздуха в метантенк. Это приводит к тому, что

микроорганизмы окисляют газообразный сероводород (H2S) в элементарную серу, которая в

свою очередь является ценным продуктом.

Рис. 5.7. Схема получения биогаза из отходов животноводства

1-колодец для навозной жижи; 2-насос; 3-биогазовый реактор ("метантенк");

4-обезвоженный шлам; 5-биогаз; 6-шламонакопитель; 7-хранилище биогаза; 8-газовая горелка; 9-котел; 10-газодизель с электрогенератором.

Если задаться целью специально выращивать зелёную массу для получения биогаза,

то теоретически возможный выход метана приведен в таблице 5.4.

51

Таблица 5.4. Выход метана м3/га в зависимости от урожайности и специфического

выхода метана

Специфический выход метана

(м3 СН4/тонна сырья)

Урожайность (т/га)

10 15

300 3000 м3 СН4/га 4500 м

3 СН4/га

450 4500 м3 СН4/га 6750 м

3 СН4/га

Как видно из таблицы 5.4, при средней урожайности 10 т/га и специфическом выходе

метана 300 м3/т. будет произведено 3000 м

3 метана. Если урожайность поднимется до 15 т/га,

а специфический выход метана составит 450 м3/т, то таким образом будет достигнут

практически двойной выход метана с гектара. При средней энергетической ценности метана

10 кВт-ч/м3 из полученного газа можно получить от 30000 до 67500 кВт-ч/га. Используя

энергетическую установку (газовый двигатель) с электрическим КПД 30% и тепловым КПД

55% можно получить с одного гектара от 10000 до 25250 кВт-ч электроэнергии и 16500 до

37125 кВт/ч тепловой энергии.

Что касается канализационных осадков городских санитарных стоков, то один человек

«производит» их в среднем до 100 кг/год, однако биогаза они дают не более 20 куб. м из 1 т.

В Лондоне, например, они перерабатываются на 100%, при этом удаётся получить для

городских нужд до 10 млн куб. м/год биогаза. (На одной из крупнейших в Украине

Бортнической станции, куда ежесуточно со всего Киева поступают 1,3 миллиона куб. м

канализационных сточных вод, ввели экспериментальную установку по переработке

канализационных осадков – но там их высушивают и затем сжигают в котле-газификаторе).

Во многих странах мира биогаз уже стал равноправным участником энергорынка. В США, в

Южной Каролине действует биогазовая установка с объёмом реактора 1000 куб.м, которая

перерабатывает навоз и помёт от 10 тысяч голов скота и 1,2 млн кур; её производительность

– один млн куб. м биогаза в год. Но развитию этого направления уделяют внимание не

только самые богатые страны. Активно развивают биоэнергетическую отрасль Китай, Индия

и даже Кения.

Для развития биогазового направления в энергетике у Украины имеются огромные

потенциальные возможности – как сырьевые, так и технологические. Только в

животноводстве и птицеводстве Украины биоотходы составляют около 120 млн тонн/год

(при влажности 50%), из которых можно получить 12 млрд куб. м биогаза и 20 млн тонн

биоудобрений. На действующих в Украине 18 крупных станций очистки канализационных

стоков также может быть получено до 1 млрд куб. м биогаза. В Украине ежегодно

накапливается в виде отходов растениеводства и лесоводства до 30 млн т зелёной массы, из

которой может быть получено ещё 10 млрд куб. м биогаза. Наконец, твёрдые бытовые

отходы (1,2 куб.м/чел в год, насыпной вес – 250-300 кг/куб.м, из них 65-70% - органические)

– 10 млн т/год можно перерабатывать в биогаз, а это около 3 млрд куб. м.

Для развития биогазового направления в энергетике у Украины имеются огромные

потенциальные возможности (см. табл. 5.5)

52

Таблица 5.5. Сырьё для биогаза (годовой баланс)

Источник

сырья

Кол-во, млн т Полученный

биогаз, млн м3

Энергия

биогаза, млн

тонн у.т.*

Крупный

рогатый скот

45,5 1833 1,3

Свиньи 4,5 171 0,12

Птица 2,2 203 0,16

Всего 52 2207 1,6 *) 1 тонна условного топлива (у.т.) = 7000 ккал = 29300 кДж

Энергетический потенциал зелёной массы в Украине по данным 2005 г. составляет (млн

тонн у.т. /год) : зерновые культуры (солома) – 3,6; кукуруза на зерно (стебель, початки) – 1,2;

подсолнух (стебель, шелуха) –2,3; итого – 7,1 млн т у.т. /год. Однако и «городской зелёный

потенциал» также весьма значителен. Так, в городе-миллионнике, по приблизительным

оценкам собирается за год: около 50 тысяч куб.м/год зеленой массы: листвы (улицы, сады,

парки); Ботвы и травы (частный сектор, дачи в черте города, парки); Веток – (улицы, сады,

парки). Таким образом, биогазовый резерв Украины – 15 млрд куб. м /год, это 20% годовой

потребности Украины в газе!

Рис. 5.8. Схема добычи, сбора и использования биогаза для производства

электроэнергии на полигоне ТБО

В Украине образуется ежегодно приблизительно 10-12 млн т ТБО, более 90% которых

вывозится на свалки. Из 655 свалок около 140 составляют полигоны ТБО, которые могут

считаться пригодными для добычи и использования свалочного газа (см. рис. 5.8). До 30%

всех ТБО Украины размещается на 90 полигонах, наиболее рентабельных для добычи и

использования этого газа. Потенциал свалочного газа, доступного для производства энергии

на крупных полигонах ТБО, составляет около 400 млн м3/год, что эквивалентно 0,.3 млн т

у.т. Из 1 т сухого вещества ТБО образуется 170-200 м3

биогаза, половину объема которого и

25-30% массы составляет метан - сильнейший парниковый газ. По интенсивности выбросов

метана с единицы площади поверхности (порядка 200 т/год с 1 га) - полигоны ТБО

превосходят все другие источники. Поэтому нет альтернативы сбору и использованию

биогаза с полигонов ТБО – во-первых, это экономически выгодно; во-вторых, в противном

53

случае этот метан будет самопроизвольно эмиттировать в атмосферу, создавая паниковый

эффект.

5.4. Шахтный метан

Во многих угольных пластах шахт Украины, России да и остального мира содержится

значительное количество метана, который выходит из них в атмосферу – так, в Украине

всего его уходит «в небо» до 2 млрд куб. м в год и лишь 15-20% этого объема улавливается

системами дегазации шахт.

Рис. 5.9. Схема дегазации угольного пласта

Этот метан можно откачивать из пласта и затем утилизировать. По оценкам

специалистов, запасы метана в угольных пластах и вмещающих породах Украины

составляют до 10 трлн. м3. Суммарные извлекаемые запасы метана оцениваются на уровне 1-

2 триллионов куб. м. Схема дегазации пласта показана на рис. 5.9. После выхода из пласта

метан проходит такую технологическую цепочку: бетонная труба - задвижка - вакуумнасос с

гидрозатвором – газовый котел (или компрессор для заправки баллонов). Важно

подчеркнуть, что дегазация угольных пластов резко снижает вероятность взрывов метана в

шахтах, часто приводящих к трагическим последствиям.

Буквально в последние пару лет в Украине стали планировать внедрение технологий

подземной газификации угля. Получаемый «синтезгаз» (или «генераторный газ») можно

будет использовать как для сжигания, так и для выработки из него бензина и дизельного

топлива. Передовыми странами в этой области являются Китай и ЮАР.

Подземная газификация угля - процесс превращения угля в горючие газы с помощью

свободного или связанного кислорода непосредственно в недрах земли (рис. 5.9а). При этом

уголь под землей превращается в горючий («генераторный») газ (по реакции: C + O2 = CO2;

CO2+C=2CO; C + H2O = CO + H2), обладающий достаточной калорийностью для

энергетического и технологического использования. Состав генераторного газа зависит от

вида газифицируемого топлива, рода окислителя и условий процесса. В зависимости от

54

состава дутья получают такие генераторные газы: воздушный, паровоздушный, водяной,

парокислородный. По составу они представляют собой смеси оксидов углерода и водорода

с небольшими количествами метана и других углеводородов, а также азота воздуха и

непрореагировавших диоксида углерода и паров воды.

Рис. 5.9а. Простейшая схема подземной газификации угля:

1 – буровые скважины; 2 – реакционные каналы; 3 – газоходы; 4 – массив угля.

Основные характеристики генераторных газов представлены в таблице 5.5а. Видно, что

наибольшее количество газа образуется при получении воздушного газа, однако его теплота

сгорания невелика вследствие того, что почти 2/3 его объема приходится на азот. В этом

случае наблюдается также наименьший кпд газификации. При получении генераторных

газов с использованием водяного пара кпд равен 100%, а теплота сгорания получаемого газа

существенно выше, чем у воздушного. Следует отметить, что выход газа и его теплота

сгорания находятся в обратной зависимости: при увеличении одного из этих параметров

происходит уменьшение другого.

Таблица 5.5а. Основные характеристики генераторного газа

Газ Состав газа, объ. % Выход газа из

1 кг углерода,

м3

Теплотв. спос.

газа (низш.),

кДж/м3

КПД, %

СО Н2 N2

Воздушный 35 - 65 5,4 4400 72

Водяной 50 50 - 3,7 11800 100

Полуводяной 40 18 42 4,6 7000 100

Кислородно-

водяной

70 30 - 2,7 12000 100

5.5. Бурые угли

Хотя это и не отходы, но это низкокалорийное (7000-10000 кДж/кг или 1500-2500

ккал/кг) малоиспользуемое топливо, однако его запасы в Украине велики - около пяти

миллиардов тонн (Александрия и др.). Наиболее перспективный путь вовлечения их в

энергобаланс Украины - пиролитическое и гидрогенизационное «ожижение» таких углей.

4

55

Впервые сообщил о возможности превращения угля в жидкие органические продукты

французский химик Бертло ещё в 1879 г. Идеи получения моторного топлива из угля в

крупных масштабах впервые реализовали германские химики (так наз. «синтез Фишера-

Тропша») в преддверии второй мировой войны, т.к. Германия не имела своей нефти. Именно

на таком дизтопливе, как известно, гитлеровские танки дошли до румынской нефти. В

дальнейшем этой проблемой активно занимались фирмы Германии («Total»), США

(«Exxon»), ЮАР («Sasol»).

Ожижение угля, также известное как технология «уголь в жидкость» (Coal-to-Liquid –

“LCT”), представляет собой конверсию угля в синтетическое жидкое топливо. Для

получения "угольной нефти" лучше всего использовать бурые угли (см. рис. 5.10 и табл. 5.6),

можно и низкокалорийные ("молодые") каменные; при этом содержание в них золы не

должно превышать 10% (т.е. необходимо предварительное обогащение), серы-1,0%.

Технология получения «угольной нефти» на первый взгляд сложна. Этот процесс протекает в

автоклавах при высоких температурах (600 ºС) и при высоких (50-80 МРа, т.е. атмосфер)

давлениях, в токе молекулярного водорода (примерно до трёх процентов Н2 от массы угля -

для этих целей можно использовать коксовый газ) и в присутствие катализатора (его можно

после выработки ресурса вновь регенерировать). Но эта технология имеет и ряд

существенных преимуществ. Во-первых, в «угольную нефть» переходит не только вся

органическая масса угля (ОМУ), но и часть твердоуглеродной массы (благодаря реакции С +

Н2 → (СН)n), т.е. «ожижается» до 60% всей массы угля. Во-вторых, в «угольной нефти»,

полученной по такой технологии, содержится до 50% фракций моторных топлив (до 15%-

бензиновые и до 35% - дизельные); остальные фракции - котельное топливо (мазут) и ценные

смолы для органического синтеза - фенольные, пиридиновые, инден-кумароновые), а также

идёт частичная газификация угля с получением горючего "синтезгаза". Выход «угольной

нефти» из 1 т бурых углей и торфа – примерно 500 кг; оставшиеся 500 кг представляют

собой нечто вроде мелкодисперсного «полукокса», значительно более калорийного, чем

исходные бурый уголь и торф; кроме того, образуется около 300 м3 синтезгаза (смесь

СО+Н2О в соотношении 1:2) с теплотой сгорания 14-16 МДж/м3.

Как видно из табл. 5.6, при взаимодействии реакционной массы с водородом

(гидрогенизации) происходит переход твёрдого неорганического углерода (кокса) в жидкие

органические соединения (масла), т.е происходит "ожижение" угля. При этом количество

полученного горючего газа (т.е. газификация угля) остаётся почти неизменным.

Таблица 5.6. - Сравнительный количественный анализ процессов

"ожижения" бурого угля

Продукт Выход продукта (кг/т угля)

полукоксование

(пиролиз)

600 ºС

коксование

1100 ºС

гидрогенизация

(воздействие Н2)

быстрое медлен. мягкая жесткая

Горючий газ 70 100 150 260 230

Вода 75 80 30 - -

Легкие масла 20 40 10 }600 }600 Ср.+ тяж. масла 80 55 -

Пек 85 17 350

Полукокс 670 700 750 85 95

Расход Н2 - - - 8,8 8,7

56

Рис. 5.10. Схема "ожижения" бурого угля

57

Однако уже появились технологии ожижения, в которых взрывоопасный водород

заменён на менее опасную смесь [СО+Н2О] (при высокой температуре там идёт конверсия

[СО+Н2О = CО2 + Н2]), а давление в реакторе удалось снизить до 10 МПа.

Капитальные затраты процесса получения нефти на основе угля весьма значительны:

сооружение установки CTL, производящей 80 тыс. баррелей жидкого топлива в сутки,

обойдется примерно в 5 млрд долл. против 2 млрд долл. за традиционную нефтеперегонную

установку. Однако для стран, не имеющей собственной нефти, это будут инвестиции не

просто в собственную нефть, но также и в энергетическую безопасность страны.

5.6. Древесные и растительные отходы

Количество древесных отходов, которые образуются в Украине, а также их

энергетический потенциал представлены в табл. 5.7. В 2005 г. общий объем заготовленной

древесины составлял 10,3 млн плотных м3 (пл. м

3).

Таблица 5.7. Отходы древесины в Украине

Тип отходов древесины Колич., млн

пл. м3

Энергопотенциал,

млн т у.т.

Невывезенная древесина на лесосеках

(порубочные остатки), влажность W = 50-60%

1,40 0,31

Отходы в гослесхозах при распиловке кругляка,

W= 40-45%

0,45 0,11

Отходы на ДОКах при изготовлении готовой

продукции, W= 25-30%

0,66 0,18

Дрова, вывозимые с лесосеки, W= 40-45% 3,85 0,97

Всего 6,36 1,57

Если отходы древесины полностью пустить на сжигание, то каждый «куб» заменит 30

куб.м газа. Имеются для этого простейшие небольшие котлы на 100 кВт-ч (для частного

жилья) и побольше – на 1000 квт-ч (для малых предприятий) – см. рис. 5.11.

В России вырубается в год около 1 миллиона гектаров леса, при этом на каждом гектаре

рубки остается в среднем 50 м3 отходов лесопиления.

Отдельный важный вопрос- утилизация отходов растениеводства в сельской местности, а

именно: солома, листья, обрезки лозы, жмых, лузга и др. Хорошо организованный сбор и

сжигание в тех же малых промышленных печах может дать сельхозпредприятию

существенную экономию энергоресурсов. Энергетический потенциал биомассы в Украине

по данным 2010 г. составляет (млн тонн у.т. /год): зерновые культуры (солома) – 4,0;

кукуруза на зерно (стебель, початки) – 1,5; подсолнух (стебель, шелуха) –2,5; итого – 8,0 млн

т у.т. /год. Например, для сельхозпредприятий Дании экономия энергии за счет сжигания

таких отходов составляет 20%.

58

Рис. 5. 11. Миникотёл ATMOS для сжигания древесных

и «зелёных» отходов (www.atmosenergy.com)

Однако растительные отходы можно использовать для получения жидкого топлива

(рис. 5.12).

Рис. 5.12. Схема мобильной установки для получения жидкого топлива

из растительной биомассы: 1 — газогенератор; 2 — воздушный компрессор; 3 — адсорбер; 4 — холодильник; 5 — фильтр

тонкой очистки; 6 — компрессор; 7 — реактор; 8 — теплообменник; 9 — сепаратор; 10 — приемник

жидкого топлива. Линии: I — биомасса, II — воздух, III — отработанный газ, IV — синтетическое

жидкое топливо

Пеллеты (рис. 5.13, 5.14, 5.15) - это топливные гранулы, экологически чистое топливо с

содержанием золы не более 3 %. Выбросы – в основном, СО2 и пары воды. Сырьём для

производства гранул могут быть балансовая (некачественная) древесина и древесные отходы:

кора, опилки, щепа и другие отходы лесозаготовки, а также отходы сельского хозяйства:

стебли, кочаны, солома, отходы крупяного производства, лузга подсолнечника и т. д.

59

Гранулы отличаются от обычной древесины высокой сухостью (8—12 % влаги против 30—

40 % в дровах) и большей — примерно в полтора раза — плотностью. Эти качества

обеспечивают высокую теплотворную способность по сравнению с дровами — при сгорании

тонны гранул выделяется приблизительно 5 тыс. кВт·ч тепла, что в полтора раза больше, чем

у обычных дров. Длина пеллета - не более 5 см, диаметр — от 4 до 10 мм. Влажность не

более 12 %, содержание пыли не более 0,5 % и т. д. В 2010 году в США было продано около

2,5 млн тонн гранул, и более 700 тыс. зданий обогревались пеллетами. Более 20 компаний

производят котлы, печи, горелки и др. оборудование для сжигания гранул. К 2020 году Китай

намеревается производить 50 млн тонн гранул типа «пеллеты» ежегодно.

Рис. 5.13. Пеллеты

Фирма «Thames Water» (Англия) начала производить топливные гранулы в г. Беркшир

путем высушивания городских нечистот в специальной машине. Затем компания перевозит

их на грузовике на очистные сооружения на юго-востоке Лондона, где они сжигаются для

выработки электроэнергии. «Thames Water» полагает, что в 2015-м финансовом году 20% ее

потребностей в электроэнергии будет удовлетворяться за счет так называемой «энергии

фекалий». Этого количества достаточно для электроснабжения примерно 10 тысяч

домохозяйств.

Рис. 5.14. Коттеджный котел «Экотерм»

для сжигания пеллет (www.ecotherm.ru)

60

Рис. 5.15. Схема производства пеллет

Таблица 5.8. Характеристики разных видов «вторичного» древесного топлива:

Вид топлива Объёмная

плотность, кг/м3

Средн.

влажность, %

Зольность,

%

Нижняя теплота

сгорания, МДж/кг

Брикеты 550-650 10 0,5 16-17

Гранулы 600-700 9 0,6 17-18

Древесная пыль 220-300 4 0,8 18

Древесная стружка 250-350 40 0,5-3 8-9

В ДонНТУ были исследованы смеси твердых бытовых отходов (ТБО) с отходами

коксохимического производства - фусами и кислой смолкой с целью создания топливных

брикетов для промышленных печей.

Таблица 5.9. Результаты измерения технических характеристик топливных брикетов

ТБО (60%) плюс отходы КХЗ (40%)

Вид добавки

(40%) к ТБО*

Зольность, % Выход летучих

веществ**, %

Высшая теплота

сгорания, МДж/кг

Кислая смолка 12,3 54,8 18,5

Фусы 13,3 30,2 17,4 *) Твердые бытовые отходы

**) На сухую беззольнную массу

Из таблицы 5.9 видно, что брикеты с кислoй смолкой имеют несколько лучшие

показатели по зольности (ниже) и по высшей теплоте сгорания (выше), однако значительно

превосходят бтикеты с фусами по выходу летучих (почти в 2 раза больше). Таким образом,

композиция ТБО-кислая смолка может быть основой топливных брикетов для сжигания их в

промышленных условиях (только в промышленных!). При этом следует тщательным образом

продумать и решить весь комплекс проблем охраны воздушного бассейна.

61

6. Энергия солнца, ветра и воды

Совершенно очевидно, что возобновляемые источники энергии (ВИЭ) – в первую

очередь энергия солнца, ветра и воды (гидроэнергия) - являются энергией будущего. Хотя

"зеленая" энергия все еще не заняла в мире большой сегмент (в мире не больше 3-4%, в

Германии – 10%), инвестиции в неё растут огромными темпами. По данным Bloomberg New

Energy Finance, в целом объем инвестиций в альтернативные источники энергии в 2011 году

составил 302 млрд долларов. Наибольший объем инвестиций привлек сегмент солнечной

энергетики – 142 млрд долларов. Больше всех в альтернативные источники энергии

вкладывает Китай: 68 млрд долларов; объем вложений США составил 45 млрд долларов.

Ожидается, что общая мощность по выработке электричества из альтернативных

источников энергии вырастет с 1580 ГВт в 2012 году до 2350 кВт в 2018 году. Только за

недавние три года (2009-2011) суммарная мощность установленных в мире солнечных

станций утроилась (с 13,6 ГВт до 36,3 ГВт). Если же говорить обо всех ВИЭ (ветровая,

солнечная, геотермальная и морская энергетика, биоэнергетика и малая гидроэнергетика), то

установленная мощность электростанций в мире, использующих ВИЭ, уже в 2010 г.

превысила мощность всех АЭС и составила около 400 ГВт.

Согласно подсчетам профессора Стэнфордского университета (США) Марка

Джекобсона (Mark Jacobson), для того, чтобы полностью заместить существующие мощности

по выработке энергии на возобновляемые, понадобятся 3,8 миллиона ветрогенераторов

мощностью по 5 мегаватт, около 50 тысяч концентраторных солнечных электростанций

по 300 мегаватт, 40 тысяч солнечных электростанций на кремниевых солнечных панелях (по

300 мегаватт), около 1,7 миллиарда солнечных панелей для крыш по 3 киловатта, 5 тысяч

гидротермальных электростанций (по 100 мегаватт), около 270 новых гидроэлектростанций

(по 1,3 гигаватта), 750 тысяч электростанций, работающих на энергии волн (по 750 киловатт)

и 490 тысяч приливных станций по 1 мегаватту. Пока до этого далеко. Кроме того, ветровые

и солнечные электростанции крайне нестабильны. В течение одного дня выработка ими

электроэнергии может колебаться на десятки процентов. Это требует наличия резервных

мощностей, которые могли бы оперативно сглаживать колебания.

На конец 2011 г. цена в Европе одного кВт-ч «зеленой» энергии для потребителей

составляла: гидроэнергии – 5 евроцентов, ветровой – 10 евроцентов, солнечной – 15

евроцентов (для сравнения: обычной тепловой – 6-7 евроцентов). Однако если оценивать

стоимость солнечной или ветровой энергии для нового жилого района (включая закупку и

монтаж нового оборудования т.е. «под ключ»), то в 2011 г. она была на уровне $2-2,5 за 1 Вт

установленной мощности – и это уже вполне сравнимо со стоимостью продления до этого

района высоковольтной электролинии и монтажа трансформаторной подстанции.

Ожидаемые научно-технологические прорывы в солнечной энергетике позволят к 2020 г.

получить резкое падение цен на солнечные панели и снизить цену «под ключ» 1-го ватта

солнечной мощности с $2,5 до $0,8-1, что позволит генерировать «зеленую» электроэнергию

по цене меньшей, чем от самых дешевых сейчас угольных ТЭС.

Однако при сравнительных экономических расчетах часто игнорируется один важный

момент. Возьмем для примера угольную теплоэлектростанцию: для нее ведь нужно

ПОСТОЯННО добывать уголь, нужно транспортировать десятки вагонов ежедневно, потом

нужна углеподготовка, потом нужно сжигать уголь в котле, нагреть пар, направить его на

турбину, и только после этого мы получим электроэнергию. При этом мы имеем сотни

движущихся и вращающихся (и значит изнашивающихся!) механизмов, требующих

постоянного ремонта и обновления, да плюс еще сложная очистка выбросов и стоков, да

62

плюс отвалы. А солнечная электростанция: раз построил – и ВСЕ: не надо солнце ни

«добывать», ни «транспортировать», ни «обогащать»; там ничего (или почти ничего) не

вращается, а значит не изнашивается, а электроэнергия получается НАПРЯМУЮ, без всяких

котлов и турбин.

6.1. Солнечная энергия

Поток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 м², расположенную

перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от

центра Солнца (на входе в атмосферу Земли), равен 1367 Вт/м² (солнечная постоянная).

Средний поток солнечной энергии, достигающий поверхности Земли, составляет 200-250

Вт/кв.м, в то же время на хозяйственную деятельность человека необходимо всего 2 Вт/кв.м

в неиндустриальных районах и не более 15-20 Вт/кв.м – в высокоиндустриальных. Т.е.

теоретически достаточно использовать от 1-2 до 8-10% солнечной энергии, чтобы полностью

удовлетворить энергетические потребности человечества – вообще без использования

ископаемых топлив.

В 2011 году солнечные батареи по всему миру суммарно произвели, по подсчетам

экспертов, около 27 гигаватт электроэнергии. Годовой потенциал доступной солнечной

энергии в Украине – 50 105 МВт/год, в т.ч. у Крыма - 3 10

5 – это очень даже немало!

(Установленная мощность солнечных модулей юга Украины (данные на 2013 г.) равна

около 1000 МВт).

За последние годы эффективность (кпд) солнечных батарей была увеличена в несколько

раз (до 35-40%). Так, американская компания Spectrolab (дочерняя фирма Boeing) начала

массовое производство самой эффективной в мире наземной солнечной батареи среди тех,

что поставлены на конвейер. Ее солнечные панели марки C3MJ обладают эффективностью

41%.

Существует два вида устройств для использования солнечной энергии – солнечные

коллекторы и солнечные панели с фотоэлектрическими преобразователями.

Солнечные коллекторы напрямую поглощают солнечную энергию, преобразуя ее в

тепло и нагревая воду, циркулирующую по трубкам внутри коллектора (фактически, это

особый вид теплообменника) – см. рис. 6.1. На данный момент в США уже установлено

Рис. 6.1. Солнечные коллекторы на крыше

63

более 20 млн кв.м тепловых солнечных коллекторов, а в ЕС - 12 млн кв.м. Суммарная

тепловая мощность установок солнечного теплоснабжения в 2008 году достигла 145 ГВт

(более 180 млн м2 солнечных коллекторов), солнечное горячее водоснабжение имеет более

60 млн домов в мире, ежегодные темпы роста – более 15%.

Солнечные панели преобразуют энергию солнца в электрический ток.

Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для

превращения солнечной энергии в электрическую являются

полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП – см. рис.

6.2) поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. Основное

сырье для их производства - кристаллический кремний и арсенид галлия.

Рис. 6.2. ФЭП

Как правило, фотоэлемент составлен из нескольких полупроводниковых слоев.

Несколько десятков (сотен) ФЭП компонуются в солнечную батарею (солнечный

фотоэлектрический модуль), преобра-зующий солнечную энергию в постоянный

электрический ток (рис. 6.3). Однако, как видно из рис. 6.3 (справа), мощная солнечная

электростанция требует очень больших площадей – гораздо больших, чем, например,

тепловая сравнимой мощности. Так, проект строящейся в Испании солнечной

электростанции мощностью 280 МВт требует 7,7 км2 земельной площади (то есть ее

удельная «земельно-площадная» мощность будет 280 : 7,7 = 36,4 Вт/м2), но средняя удельная

мощность традиционных тепловых станций - приблизительно 200 Вт/м2 занимаемой ими

площади с учетом складирования отходов).

Поэтому ученые разработали так наз. солнечные концентраторные модули (рис. 6.4,

6.5 и 6.6), которые позволяют в несколько раз уменьшить площадь ФЭП, а значит, и расход

кремния и галлия, так как линзы-концентраторы увеличивают в 10 раз поток солнечного

света, падающего на ФЭП (ну и также земельную площадь под электростанцию).

Рис. 6.3. Солнечные батареи (слева – для «внутридомового» пользования, справа – солнечная электростанция, дающая энергию в

общую электросеть)

64

Рис. 6.4 Схема солнечного концентраторного модуля

1 - основа линзовой панели, выполненная из стекла; 2 - микропризмы линз Френеля, сделанные из

силикона; 3 - сфокусированные солнечные лучи; 4 - солнечный элемент, смонтированный на

металлическом основании; 5 - основа панели (модуля) солнечных элементов, выполненная

из стекла

Солнечный элемент фирмы «Semprius» (США) (рис. 6.5) насчитывает

в поперечнике всего полмиллиметра (чёрный квадратик на фото). Он

установлен на керамической подложке, снабженной с двух сторон

электрическими контактами. Максимальное кпд для концентраторного

солнечного элемента составляет на сегодня ок. 45%

Рис. 6.5. Поз. 4 из рис.

6.4 в натур. величину

.

Рис. 6.6. Концентраторный фотоэлектрический модуль (0,5 м х 0,5 м)

Способ преобразования солнечной энергии в электрическую с использованием

концентраторов солнечного излучения показан на рис. 6.7 и 6.8 (максимальный

коэффициент концентрации солнечной энергии линзами Френеля – 45000). Основные его

элементы - центральный ресивер (Receiver) - это башня высотой в несколько десятков

65

метров и площадка с 343 шт. концентраторов солнечного излучения (Heliostat field - 343 solar

units); теплоноситель – сжатый газ (gas) – например, атмосферный воздух. В такой установке

используется парогазовый цикл c с газовой турбиной (steam cycle and gas turbine).

Рис. 6.7. Линзевые концентраторы солнечной энергии

Рис. 6.8. Схема преобразования солнечной энергии с помощью концентраторов

солнечного излучения

Пока крупнейшей страной-производителем «солнечного электричества» в мире является

Германия - 18.000 МВт мощностей. Однако ныне США строят в Аризоне крупнейшую в

66

мире солнечную электростанцию “Solana” с номинальной мощностью 280 мегаватт, которая

будет обеспечивать электричеством 70 тысяч домов. Проект станции предусматривает также

аккумулирование тепла для приведения генераторов в действие и после захода солнца,

а также – компенсации пиков потребления днём. Этот проект окупится лишь через 30 лет

(вот почему инвесторы недолюбливают «чистую энергетику»!), за это время “Solana”

произведёт электричества на общую сумму $4 миллиарда.

Еще более грандиозным является китайско-американский проект. Китайские власти

заключили контракт с американской компанией «First Solar» на строительство

электростанции во Внутренней Монголии. Мощность станции должна составить 2 гигаватта

(!), срок введения в эксплуатацию — 2019 год.

Но научная мысль не стоит на месте.

Химический светопреломляющий краситель, придуманный в США, превращает

проводящую подложку в фотоэлектрическую панель. Приложив к такой окрашенной

плоскости ещё электрод сверху, можно на свету получать ток. В перспективе эта разработка

должна привести к появлению «солнечных красок» для домов. Все их стены смогут работать

как солнечные панели.

Калифорнийский технологический институт (CalTech) разработал гибкую солнечную

батарею, которая имеет эффективность около 80% вместо существующих максимальных

40%). Батарея - это тонкие кремниевые провода на полированном пластмассовом

основании, которое рассеивает свет на них. Каждый кремниевый проводок имеет диаметр

100 микрон. Если удастся сделать недорогую технологию производства – эти две разработки

станут колоссальным прорывом в солнечной энергетике.

Ученые из университета Западного Сиднея (University of Western Sydney), Австралия,

разработали "Солнечную черепицу" (Solar roof tiles), сочетающую в себе сразу три функции.

"Солнечная черепица" (рис. 6.9) — это плитки, состоящие из основы (прозрачный

поликарбонат) и двух главных слоёв. Один — солнечные батареи, другой — тонкий

резервуар с теплоносителем. Плитки используют солнечный свет для выработки

электричества (на что идёт 12-18% падающей световой энергии), а также — для подогрева

(через промежуточный теплообменник) горячей воды в домашнем водопроводе (что

обеспечивается тепловыми лучами, не воспринятыми фотоэлектрической панелью). Главное

новшество этого изобретения - возможность делать из этих плиток крышу непосредственно,

так же, как укладывают обычную черепицу.

Рис. 6.9. «Солнечная черепица» 1 — стеклянная черепица; 2 — обычная черепица; 3 — крепление черепицы; 4 — элементы

тепловоспринимающей плиты с трубчатым змеевиком; 5 — кровельный ковер из термостойкого

асфальта

67

Так что будущее для солнечной энергетики к 2025 г. выглядит обнадеживающе:

стоимость - $0,5 за установленный 1 ватт мощности и 3-4¢ за 1 кВт потребленной

электроэнергии, конструкционная простота и надежность, массовое внедрение по всему миру

с долей около 20% от потребляемой энергии всех видов.

6.2. Энергия ветра

Как известно, ветроэнергетика преобразует кинетическую энергию воздушных масс в

электрическую (или механическую). Это преобразование может осуществляться такими

агрегатами, как ветрогенератор (для получения электрической энергии), ветряная мельница

(для механической энергии), парус (для кинетической энергии). Ветроэнергетика является

быстро развивающейся отраслью. Так, в конце 2010 года общая установленная мощность

всех ветрогенераторов составила около 200 гигаватт. Некоторые страны особенно

интенсивно развивают ветроэнергетику - в Дании, например, с помощью ветрогенераторов

производится 20 % всего электричества, общая мощность «ветряков» Германии перевалила

за 30 ГВт. Крупные ветроэлектростанции включаются в общую сеть, более мелкие

используются для снабжения электричеством удалённых районов. Ветроэлектростанции

строятся на суше или на отмелях («оффшорные» - т.е. «внебереговые») – см. рис. 6.10.

Наибольшее распространение в мире получила конструкция ветрогенератора с тремя

лопастями и горизонтальной осью вращения (рис. 6.11). Такие ветрогенераторы начинают

производить ток при ветре 5 м/с и отключается при ветре более 25 м/с. Максимальная

мощность достигается при ветре 15 м/с.

Ветроэлектростанция на суше

Ветроэлектростанция на морской отмели

Рис. 6.10. Ветроэлектростанция (общий вид)

68

Рис. 6.11. Схема «традиционного» ветрогенератора:

1 - фундамент; 2 - силовой шкаф, включающий силовые контакторы и цепи управления; 3 - башня; 4

- лестница; 5 - поворотный механизм; 6 - гондола; 7 - электрический генератор;

8 - система слежения за направлением и скоростью ветра; 9 - тормозная система;

10 - трансмиссия; 11 - лопасти; 12 - система изменения угла атаки лопасти; 13 - колпак ротора

Мощность ветрогенератора зависит от площади, ометаемой лопастями генератора, и

высоты над поверхностью. Кинетическая энергия ветра, переносимая им через сечение 1 кв.м

за 1 сек., пропорциональна его скорости в кубе: Екин = kυ3. Поэтому отдаваемая мощность

пропорциональна третьей степени скорости ветра: при увеличении скорости ветра вдвое, от

10 м/с до 20 м/с, мощность увеличивается в восемь раз (а стоимость энергии падает в 4 раза).

Ветрогенератор мощностью 1 МВт сокращает ежегодные выбросы в атмосферу на 1800

тонн СО2, 9 тонн SO2, 4 тонны оксидов азота.

Таблица 6.1. Крупнейшие производители ветровой энергии (2010 г.)

№ Страна* Объём производства,

МВт

1 Китай 42.000

2 США 40.000

3 Германия 27.000

*) Для сравнения: Украина - лишь 150-200 МВт

69

Таблица 6.2. Крупнейшие ветроэлектростанции (2010 г.)

№ Название Страна Объём производства, МВт.

1 Vestas Дания 5800

2 Sinovel Китай 4400

3 GE Energy США 3800

Одна из крупнейших оффшорных ветровых электростанций “Gwynt-Y-Mor” строится в

Северном Уэльсе. Эта электростанция будет производить 600 МВт энергии с помощью

ветровых турбин «Siemens» (Германия) мощностью 4-5 МВт каждый (общее количество – до

150, полная высота каждой – 154 м., диаметра ротора – 107 м). Полная площадь станции -

80 км2 (то есть ее удельная мощность будет 600:80 = 7,5 Вт/м

2 площади – к сожалению, это

мало: например, Южно-Украинская АЭС, занимающая примерно ту же площадь, производит

на трех блоках 3х1000=3000 МВт, т.е в 5 раз больше). Однако ветротурбины занимают

только 1% от всей территории ветроэлектростанци. На остальных 99% ее площади возможно

заниматься сельским хозяйством или другой деятельностью, что и происходит в таких

густонаселённых странах, как Дания или Германия. Фундамент ветроустановки,

занимающий место около 10 м в диаметре, обычно полностью находится под землёй,

позволяя расширить сельскохозяйственное использование земли практически до самого

основания башни. Земля сдаётся в аренду, что позволяет ветроэлектростанции получать

дополнительный доход. В США стоимость аренды земли под одной турбиной (это около 0,5

км2) составляет $3000 в год.

В украинском селе Безыменное на побережье Азовского моря создается ветропарк

“Новоазовский” - 43 ветроэнергетических установок мощностью 2,5 МВт каждая. Срок

окончания проекта - 2014 год. Проектная мощность ветровой электростанции – 107,5 МВт.

Однако у мощных «ветряков» есть некоторые экологические проблемы. Прежде всего,

возле концов лопастей ветрогенератора образуется область пониженного давления, и птицы,

попавшие в неё, получают баротравму. Кроме того, ветряные энергетические установки

производят так наз. аэродинамический шум — шум от взаимодействия ветрового потока с

лопастями установки; шум от ветрогенератора на расстоянии 350 м (санитарная зона)

составляет не более 50 дБ (сопоставúм с шумом проезжающей легковой машины).

Новейшие тенденции в энергетике – комбинирование возобновляемых и традиционных

источников энергии. Так, правительство Турции решило строить крупную инновационную

электростанцию и выбралo в качестве базы для нее технологию «Flex-Efficiency»,

разработанную американской компанией General Electric. Впервые в мире в одной

электростанции одновременно будут задействованы три источника энергии — природный

газ, ветер и солнце.

6.3. Малая гидроэнергетика

«Малая гидроэнергетика» - термин, использующийся для обозначения энергии,

получаемой от течения рек (при этом вся река, как в случае ДнепроГЭСа, ни в коем случае не

перегораживается плотиной, а, как правило, используется естественная или искусственная

протока), а также океанских (и в меньшей степени морских) волн и приливов. Обычно

производительность малой гидроэлектростанции (МГЭС) - или бесплотинной ГЭС (БПГЭС)

- не превышает 100-200 МВт.

К малым, или бесплотинным, ГЭС (МГЭС или БПГЭС), использующих преобразование

потока воды в механическую энергию и далее в электрическую энергию, относятся:

70

1. Напорные ГЭС (рукавная ГЭС, наплавная ГЭС).

2.Свободнопоточные ГЭС (поперечная или гирляндная) ГЭС; продольная

(упругозамкнутая) ГЭС).

3.Гидроударные ГЭС.

Основными преимуществами МГЭС являются:

-малые затраты и небольшой срок окупаемости;

-простые и надежные технологии;

-отсутствие необходимости в земельных площадях;

-высокая экологичность;

-снижение зависимости от импортного топлива;

-электрификация поселков и сельских территорий;

-местное и региональное развитие.

Малая гидроэнергетика за последние десятилетия заняла устойчивое положение во

многих странах мира. МГЭС (рис. 6.12) являются одним из основных источников получения

электроэнергии среди возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В 2006 году суммарная

мощность МГЭС во всем мире составила около 73 ГВт. Среди стран лидирующее положение

занял Китай (47 ГВт). Например, в Австрии, 50% потребности в электроэнергии

обеспечивается малыми и средними ГЭС; еще 20% - за счет солнцеэнергетики и сжигания

органических отходов, и только 30% - это тепловые электростанции – прямо живой

экологический пример для всей Европы! Средняя стоимость 1 кВт электроэнергии,

выработанного на МГЭС, в Европе составляет всего лишь около 0,03 долл. (3¢).

В Украине насчитывается свыше 63 тыс. малых рек и водотоков общей длиной 135,8

тыс. км, из них около 60 тыс. (95%) - очень маленькие (длина менее 10 км), их суммарная

длина - 112 тыс. км, то есть средняя длина такого водотока - 1,9 км. Технический

гидроэнергетический потенциал малых рек составляет 0.7 млн. кВт (6,4 млрд. кВт.ч) или 30%

от общего технического потенциала всех рек Украины (21,5 млрд. кВт.ч). Экономический

гидропотенциал малых рек Украины может быть оценен в размере 1,3 - 1,6 млрд. кВт.ч. В

начале 50-х годов количество построенных малых гидроэлектростанций в Украине

составляло 956 единиц с общей мощностью 30000 кВт (самая крупная - Корсунь-

Шевченковская, она сохранилась до сих пор). Однако в связи с развитием централизованного

электроснабжения в республике и стойкой тенденцией к концентрации производства

электроэнергии на мощных тепло- и гидростанциях, строительство малых ГЭС было

остановлено. Началась их консервация, демонтаж, сотни малых ГЭС были разрушены.

МГЭС на искусственной протоке

Малая гидротурбина

для МГЭС

МГЭС на естественной

протоке

Рис. 6.12. Малая гидроэлектростанция

71

Приливная электростанция – это более дорогой и сложный проект, который может

быть реализован только у побережья океана (возможно также в тех морях, которые имеют

выход в океан, но не во «внутренних» морях типа Азовского, где морские приливы слишком

слабые). Для приливных МГЭС можно использовать так наз. полупогружные гидротурбины.

Такая электростанция (рис. 6.13) представляет собой несколько сот пустых цилиндров диам.

1-3 м, прикреплённых к днищу большого понтона. В цилиндре имеются два пропеллера,

«углы атаки» у которых расположены противоположно один другому; оба пропеллера могут

вращать ось электрогенератора. Важно понять, что эти пропеллеры вращает не сама волна, а

поток воздуха, ею вызываемый. Когда морская волна поднимается в цилиндре вверх – поток

воздуха приводит во вращение левый пропеллер, когда опускается вниз – правый. Первая

приливная электростанция «La Rance» (240 МВт) была построена во Франции в 1966 г.

Приливные МГЭС имеются в США, Англии, Японии. Однако приливные МГЭС все еще не

очень популярны в мире.

Рис. 6.13. Принцип работы приливной МГЭС:

1 – впускной клапан (слева – выпускной); 2 – лопасть; 3 – генератор постоянного тока;

4 – приводная муфта; 5 – стенка цилиндра.

Европейская компания «Minesto» (Швеция) развила интересный, относительно простой

и недорогой проект «Deep Green» – см. рис. 6.14. В основе этой океанской

1

2

4

3

уровень

моря 5

72

Рис. 6.14. МГЭС «Deep Green»

электростанции - специальное 12-метровое крыло с водной турбиной («подводный змей»),

которое закреплено за дно якорем. При погружении в океан или открытое море (где имеют

место интенсивные подводные течения) «подводный змей» ограниченно плавает под водой с

прикрепленным к основанию длинным кабелем. Разработчики заявляют, что один такой

«змей» может вырабатывать до 500 киловатт энергии.

Фирма «Statcraft Company» (Норвегия) нашла способ преобразовать прямое

осмотическое давление в электричество, используя естественное различие концентраций

минеральных солей в водах реки и моря. Трудно поверить, что одна лишь разница в

концентрации двух растворов способна создать серьезную силу, однако это действительно

так: осмотическое давление может поднять воду по капилляру на 120 м.

Осмотическое давление (Р) растворов солей приблизительно описывается уравнением

Вант-Гоффа-Аррениуса:

P = IcRT, где I = 1 + α (ν – 1),

где α - степень диссоциации;

ν - число ионов, образующихся при диссоциации одной молекулы в растворе;

c – концентрация растворенного вещества в растворе;

R – газовая постоянная;

Т – температура, ºК.

Например, расчет (по данной формуле) работы по опреснению 1 куб. м морской воды (при

рабочем давлении 5МПа) дает величину 106 Дж. Это в 30 раз (!) меньше, чем работа по

выпариванию этого 1 м3 в традиционной выпарной установке. Более 70% поверхности нашей

планеты покрыто морской водой, потому общемировой годовой потенциал осмотической

энергии составляет свыше 1000 тераватт-час (1 ТВт-ч = 1012

Вт-ч) – это годовая

потребность Японии. В отличие от капризного ветра, периодических потоков и солнца,

процессы осмоса не останавливают целые 24 часа в день весь год. Этот процесс является

абсолютно экологическим и возобновимым. Самый проблемный компонент такий

станций — мембраны. Фирма работает над проектом МГЭС 25 мегаватт, чтобы запустить

его к 2015 г (см. рис. 6.15).

73

Идея еще одной оригинальной технологии по извлечению энергии из морской воды -

«Ocean Thermal Energy Conversion» (OTEC) - так же проста (рис. 6.16). Если какую-нибудь

жидкость с низкой температурой кипения, например аммиак, пропустить через

теплообменник с тёплой морской водой, эта жидкость превратится в пар. Его можно

направить в турбину, вращающую генератор. Далее пар следует переправить в другой

теплообменник, по которому курсирует ледяная вода с глубины порядка одного километра.

Пар сконденсируется, и цикл можно будет закрыть. В течение трёх месяцев баржа Mini-

OTEC, заякоренная в 2,4 километра от берега Гавайских островов, генерировала 50 киловатт

мощности.

Рис. 6.15. Схема морской осмотической электростанции

74

Рис. 6.16. Схема технологии «OTEC»

6.4. Геотермоэнергетика

В вулканических районах мира циркулирующая вода перегревается выше температуры

кипения на относительно небольших глубинах и по трещинам поднимается вместе с паром к

поверхности, иногда проявляя себя в виде гейзеров. Однако в районе действующих гейзеров

нет и не может быть жилых районов, а транспортировать горячую воду на дальние

расстояния нецелесообразно. Доступ к подземным тёплым водам, которые имеются не

только в вулканических районах, возможен при помощи глубинного бурения скважин.

Также распространены сухие высокотемпературные породы, энергия которых доступна при

помощи закачки и последующего отбора из них перегретой воды.

Главным достоинством геотермальной энергии является ее практическая

неиссякаемость и полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и

года. Существуют следующие принципиальные возможности использования тепла земных

глубин. Воду или смесь воды и пара в зависимости от их температуры можно направлять для

горячего водоснабжения и теплоснабжения, для выработки электроэнергии (но это сложнее и

дороже) либо одновременно для всех этих целей (рис. 6.17).

Главная из проблем, которые возникают при использовании подземных термальных

вод, заключается в необходимости обратной закачки отработанной воды в подземный

водоносный горизонт. В термальных водах содержится большое количество солей различных

токсичных металлов (например, бора, свинца, цинка, кадмия, мышьяка) и химических

соединений (аммиака, фенолов), что исключает сброс этих вод в природные водные системы,

расположенные на поверхности.

Классификация геотермальных вод по температуре: слаботермальные - до 40°C,

термальны - 40-70°C, Высокотермальные - 70-100°C, перегретые - более 100°C.

75

Установленная мощность геотермальных тепловых установок в мире за последние 20 лет

возросла до 20 ГВт. Первое место по использованию геотермальной энергии принадлежит

США - 3000 МВт.

Рис. 6.17. Геотермальная электростанция

В Украине разведано 141 геотермальных скважин (103 в Восточной Украине и 38 – в

Западной). Их суммарная мощность составляет 28 млн куб.м/сутки горячей (60-90 град)

воды, что эквивалентно энергии в 45 ГВт. Нужно отметить, что лишь 10% скважин являются

«фонтанирующими», остальные требуют либо применения насосов, либо даже создания

давления в пласте. При всём при этом крупномасштабное использование таких скважин

могло бы дать экономию по Украине до двух млн тонн условного топлива в год.

Выявленные запасы геотермальных вод на территории России с температурой 50-150°С

и глубиной залегания до 3000 м могут обеспечить получение примерно 10 млн. м3

горячей

воды в сутки, что по количеству энергии эквивалентно 20 млн тонн у.т.

76

7. Альтернативный транспорт

В настоящее время в мире эксплуатируется свыше одного миллиарда ДВС - двигателей

внутреннего сгорания (легковые и грузовые автомобили, поезда, тракторы, сельхоз- и

строительная техника, военная техника, корабли, авиация и др.), которые ежегодно сжигают

около полутора миллиардов тонн моторного топлива (бензина, авиакеросина, дизтоплива),

чем оказывают угнетающее действие на окружающую природную среду.

По данным International Energy Agency, более половины потребляемой в мире нефти идет

на нужды транспорта. В США на транспорт приходится около 70% всей потребляемой

нефти, в Европе — 52%, в Китае — 34%; неудивительно, что 65% нефти потребляется в

крупных городах (в сумме - 30 млн баррелей нефти в день!). Потребление бензина и

дизельного топлива транспортом распределяется следующим образом: на легковые

автомобили и пассажирские автобусы и поезда приходится 50% энергии, потребляемой

транспортом. На грузовые перевозки автомобильным, ж/д и водным транспортом, а также на

различную технику (строительную, с/х, военную) приходится примерно 40%. Воздушные

перевозки потребляют 10% энергии, расходуемой в мире на транспорт, еще 5% - «разное».

КПД двигателя внутреннего сгорания (ДВС) невысок – в среднем 25% (см. рис. 7.1), т.е.

при сжигании 10 л бензина 7,5 л уходит «в трубу».

Рис. 7.1. КПД ДВС

Вольфганг Шрайберг, один из руководителей Volkswagen, привел интересную

статистику: бóльшая часть городского коммерческого транспорта в большинстве стран

проезжает за день не более 50 км, а средняя скорость движения этих автомобилей - 5-10

км/час; однако с такими мизерными показателями эти автомобили потребляют в среднем [10

(легковые)--15 (пикапы, микроавтобусы)-25 (автобусы)] литров моторного топлива на 100

км! Бóльшая часть этого топлива сгорает на светофорах, в пробках или при мелкой

погрузке-разгрузке (или на остановках – в случае общественного транспорта) с

невыключенным мотором.

Дополнительно, нужно отметить тенденции по «газификации» транспорта, т.е. переводу

ДВС с бензина (дизтоплива) на газобаллонный вариант. В настоящее время общее число

газифицированных автомобилей в мире оценивается в 35 миллионов (20 млн работают на

пропан-бутане и 15 млн - на метане) и растет ежегодно на 25%. Перевод двигателя на

77

природный газ имеет такие преимущества: уменьшается срабатывание деталей двигателя,

увеличивается моторесурс в 1,5-2 раза; увеличивается срок службы моторной смазки в 2-2,5

раза; высокое октановое число природного газа (104-115) позволяет использовать его

практически для любых двигателей; вредные выбросы в атмосферу снижаются на 60%; езда

на газе обходится на 30-40% дешевле, чем на бензине.

Еще одно (пока спорное) направление – автомобиль-«воздушник». Так, Dearman Engine

Company показала миру прототип нового экологичного криогенного двигателя. Он работает

на альтернативном типе топлива — сжиженном воздухе. Группа инженеров-разработчиков

смогла сделать двигатель, конструкция которого не координально отлична от обыкновенных

ДВС, его размер аналогичен. Разница состоит в том, что в «воздушном» двигателе нет свечей

зажигания. Вместо топлива в двигателе используется сжиженный воздух, который должен

сохраняться при температуре –160˚С.

7.1. Гибриды

Именно автомобили-«гибриды», где сочетаются малолитражный ДВС и мощный

электроаккумулятор с электромотором на оси колеса, впервые предложили реальное

решение проблемы экологичности транспорта. Самая распространённая сейчас схема

устройства гибридных силовых установок - параллельная. Она имеет мощный электромотор

(10–15 кВт) на ведущем колесе, который помогает малолитражному ДВС при разгоне,

Рис. 7.2. Схема гибрида «Toyota Prius»

78

а при торможении запасает рекуперативную энергию, подзаряжая аккумулятор. В качестве

трансмиссии, как правило, используются вариатор или планетарная передача. Например,

пятиместный «гибрид» «Toyota Prius II» (рис. 7.2) имеет расход бензина в городе 2,8 литра на

100 км – вчетверо меньше обычного такси. Рабочий объем его 4-цилиндрового ДВС равен

1,5 литра (это малый ДВС), мощность - 76 л.с. Имеется также электродвигатель на

постоянных магнитах, синхронный, мощностью 67 л.с. Зарядка аккумуляторных батарей

идет сразу с двух сторон - от ДВС (особенно на светофорах, в пробках и т.д.) и от колес (при

торможении). Изюминка машины —делитель мощности (планетарная трансмиссия). Общий

КПД «Prius II» - 37 % - это очень высокий кпд для автомобиля. К концу 2011 г. Toyota

выпустила более миллиона "гибридов".

Ныне практически все ведущие мировые автомобильные фирмы имеют 1-2 модели

гибридов: Ford Escape Hybrid, Audi Q5, Honda Insight, Opel Astra Hybrid, Mazda Demio и др.

Кроме того, есть гибридный самосвал «Fuso» (рис. 7.5), а также гибридный автобус «Volvo».

Обе модели сберегают 20-25% топлива и уменьшают на 30-35% выхлоп токсичных газов.

Однако массовое производство гибридных автомобилей сдерживается, во-первых, их

немалой ценой, во-вторых, отдельной дороговизной замены блока аккумуляторов, в третьих -

дефицитом литий-ионных аккумуляторов: спрос на литий стал опережать предложение.

Кроме того, производство лития очень энергозатратно - электролиз лития требует примерно

70.000 кВт-ч на тонну лития.

7.2. Водородомобили

Водородомобиль – это как бы «полугибрид», только вместо бензинового ДВС, который

подзаряжает аккумуляторы, он оснащен топливными элементами, которые вырабатывают

энергию для аккумуляторов, сжигая водород («беспламенно»). Соответственно, вместо

бензобака такой автомобиль должен иметь «водородобак» - рис. 7.3.

Рис. 7.3. Схема водородомобиля:

1 - контроллер; 2 - тяговый электромотор; 3 - батарея топливных элементов (справа – схема

топливного элемента); 4 - баллоны со сжатым водородом; 5 - аккумуляторная батарея; 6 -

заправочная горловина (для закачки Н2 в баллоны)

Один из крупнейших мировых автогигантов – Honda – представил водородомобиль

«FCX Clarity» («Чистота») – см. рис. 7.4. Это автомобиль нового поколения, работающий на

водородном топливе. Машина работает на электродвигателе, который получает

электрическую энергию, вырабатываемую топливными ячейками. В атмосферу этот

79

автомобиль выбрасывает лишь воду, а его показатели эффективности расхода топлива в три

раза лучше характеристик машин с бензиновыми двигателями. Мощность топливного

элемента - 100 кВт. Топливные элементы (в отличие от аккумуляторов) способны

запускаться даже при температурах минус 30 °C. На этой «Хонде» установлены три

электродвигателя: один на передних колёсах (80 кВт) и по одному двигателю (по 25 кВт) на

каждое заднее колесо. Сверхпрочные баки из углепластика хранят 5 кг (171 литр) водорода

при давлении 350 атмосфер. Этого достаточно для пробега 570 км - на 115 км ему требуется

1 кг водородного топлива. Максимальная скорость автомобиля 160 км/ч.

National Renewable Energy Laboratory (США) в своих расчётах использовала среднюю

дальность пробега легкового автомобиля 12000 миль в год (19200 км), потребление водорода

- 1 кг на пробег 60 миль (96 км). Т.е. одному легковому автомобилю в год требуется 200 кг

водорода, или 0,55 кг в день. Недавно «водородомобиль» Ливерморской национальной

лаборатории (LLNL) Министерства энергетики США прошел 1046 километров на одной

водородной заправке.

Рис.7.4. Вот как выглядит реальный водородомобиль – «Honda FCX Clarity»:

под капотом – электромотор и система управления,

под передними сиденьями – топливные элементы, под задними сиденьями –

баллоны с водородом, за спинками задних сидений – батареи суперконденсаторов (иллюстрация с сайта [world.honda.com])

В дополнение к водородомобилю Honda разработала стационарную, мобильную и

домашнюю Энергетические Станции (ES). Стационарная заправочная станция на вид мало

80

Рис. 7.4а. Водородная заправочная станция

чем отличается от бензиновой (см. рис. 7.4а). Она состоит из: электролизёра воды; системы

очистки водорода; системы хранения водорода; компрессора (для газообразного водорода);

диспенсера (дозатора) для раздачи водорода конечным потребителям. В отличие от

стационарной, домашняя станция производит водород как из воды, так и из бытового

природного газа для широкого круга домашний нужд. Её топливные элементы генерирую 5

кВт электроэнергии для бытовых нужд и для обогрева дома. Часть водорода направляется на

заправку семейного автомобиля (или 2-х).

На пути широкого внедрения водородомобилей стоят куда бóльшие проблемы, чем на

пути «чисто» аккумуляторных электромобилей, т.к. водород – крайне взрывоопасный газ

(взрывоопасен в смеси с воздухом начиная с 4%!), к тому же он склонен к утечкам ввиду

аномально малого размера его молекулы. Поэтому и способы хранения водорода на борту

автомобиля, и развитие сети водородных заправок - простых решений не имеют. Конечно,

водород можно держать в сжатом виде, но такой баллон в автомобиле многих будет

нервировать – кому приятно ездить «верхом на бомбе». Перейти на жидкий водород вряд ли

удастся, т.к. он существует в очень узком интервале крайне низких температур от −253 до

−259 °C – попробуй-ка удержать его внутри автомобиля. Но есть ещё химические гидриды —

твёрдые вещества либо жидкости, которые «хранят» в своём составе водород (внутри своей

молекулы) при плотности, куда более высокой, чем даже у сжатого до 500 атмосфер

водорода. Химические гидриды легко выпускают водород «по требованию», скажем, при

небольшом нагреве (до температур порядка 70-150 градусов, в некоторых случаях — выше).

А такие температуры могут в виде бросового тепла предоставлять сами топливные элементы

или ДВС. Одним из перспективных гидридов считается боран аммиака (боразан) H3NBH3.

При атмосферном давлении и комнатной температуре – это твёрдое соединение

с плотностью 0,78 г/см3, которое содержит по массе аж 20% водорода. Боразан, после

высвобождения водорода при нагревании, превращается в полиборазилен, который можно

регенерировать обратно в боразан с помощью гидразина и аммиака, т.е замкнуть

безотходный цикл. Регенерация происходит в герметичном сосуде под давлением в

присутствии гидразина и жидкого аммиака при температуре 40°C. Конечно, процесс

регенерации происходит не на борту транспортного средства - ученые предлагают оснащать

автомобили сменными картриджами с боразаном, которые можно быстро менять на заправке

и отправлять на завод для перезарядки.

Разработчики из израильской компании Alchemy Research создали реактор, работающий

на алюминиевом порошке. В реакторе, температура в котором составляет 900 градусов

Цельсия, алюминий вступает в реакцию с водой, в результате чего образуется водород и

оксид алюминия:

2Al + 3H2O = 3H2 + Al2O3

81

Полученный таким образом водород можно использовать в качестве топлива для топливных

элементов. Водород также можно сжигать для вращения турбины. Тепло, выделяемое в ходе

реакции, используется для поддержания температуры в реакторе, создавая таким образом

самоподдерживающуюся систему. Побочный нетоксичный продукт - оксид алюминия -

может быть регенерирован на соответствующих производствах обратно в алюминий. По

словам представителей компании, автомобили, работающие на таком реакторе могут

заправляться за несколько минут (нужно просто заменить бак с порошком). Алюминиевого

порошка в баке, сравнимом по объему с обычным баком, хватит для того, чтобы проехать

2400 км. А израильская компания Phinergy разработала алюминий-воздушные аккумуляторы

для автомобильных электрических силовых установок, обеспечивающие запас хода до 1600

километров. Для работы аккумуляторов используется вода в качестве основы для

электролита, алюминиевые пластины в качестве анода и окружающий воздух, из которого

катод «забирает» кислород, но блокирует поступление в устройство водорода. В ходе

реакции вырабатывается электричество, питающее электромотор автомобиля.

7.3. Топливные элементы

Особо следует остановиться на топливных элементах, т.к. они являются важнейшей и

неотъемлемой частью водородомобилей (вообще-то, их применение гораздо шире – это так

наз. «электрохимическая энергетика»). Топливные элементы основаны на прямом

электрохимическом преобразовании химической энергии в электрическую. Для этого

используются так. наз. «топливный элемент» или «топливная ячейка». Работа топливного

элемента основана на взаимодействии водорода и кислорода, при этом вырабатывается

электрический ток и выделяется тепло. Принцип работы топливного элемента таков. В

электролит с ионной проводимостью (например, расплав оксидов или солей) погружены два

электрода. Однако, в отличие от обычного сгорания газокислородной смеси,

электрохимическое взаимодействие происходит в двух разных, отделённых друг от друга

электродных ячейках, т.е. горючий газ (водород) и окислитель (кислород) разделены в

пространстве (так наз. «холодное горение»): катод «омывается» водородом, где тот и

окисляется, а анод – кислородом, который восстанавливается (см. рис. 7.5). При соединении

обеих полюсов через нагрузочное сопротивление между полюсами возникает стационарное

напряжение 1 В. При этом на катоде протекает реакция: Н2 = 2Н+ + 2е

-, а на аноде:

1/2О2 + 2Н

+ + 2е

- = Н2О. В результате в цепи появляется электрический ток. Перетекающий

от катода к аноду поток электронов заряжает аккумулятор, а вода вытекает из выхлопной

трубы автомобиля (это и есть весь его «выхлоп»!). Кпд такого элемента (при условии

утилизации выделяющегося тепла) составляет до 80-85%. При этом воздушные выбросы по

оксидам азота и серы практически отсутствуют.

82

Рис.7.5. Схема работы топливного элемента

Современный электромобиль снабжен батареей топливных элементов мощностью 60-

120 кВт; батарея питает литий-ионный аккумулятор, а тот - один или два синхронных

электродвигателя, приводящих в движение колеса.

Но в широком производстве таких топливных элементах имеются проблемы – прежде

всего, в качестве катализатора там часто используются драгоценные металлы, такие как

платина и палладий. Это делает топливные элементы весьма дорогими, кроме того,

«технические» драгметаллы становятся в мире остродефицитными. Дополнительные

проблемы – относительно высокие температуры работы топливных элементов (за 100°С), а

также указанные выше проблемы водорода как топлива. Ближайшие задачи - заменить

платину на более дешевые материалы, снизить рабочую температуру до «комнатной»,

заменить водород другими (менее опасными) углеводородами. И уже есть достижения!

В стенах Гарвардского университета разработаны новые топливные элементы, не

использующие драгоценных металлов. Новый тип топливных элементов создан на основе

керамики, а в качестве топлива в них используется не водород, а метан. Это позволит без

ограничений использовать топливные элементы в качестве источника энергии для

транспортных средств.

7.4 Электромобили

Однако автомобильное будущее, особенно для «городского автомобиля» – за полными

электромобилями («plug-in»), без ДВС и водорода. Так, двухместный городской электрокар

«Land Glider» японской фирмы Nissan (рис. 7.6) имеет электромотор на ведущем колесе 80

кВт (109 л.с., т.к. 1 кВт = 1,36 л.с.), максимальный пробег без подзарядки 100 км,

максимальную скорость – 100 км/час (для густонаселенного города – вполне достаточно).

Британская компания «Modec» начала серийный выпуск одноименного грузового

электромобиля-фургона (рис. 7.6), по основным параметрам практически не уступающего

83

автомобилям с ДВС. Грузовик оснащен электромотором мощностью 102 л.с. и с

максимальным крутящим моментом равным 300 ньютон-метров. Его никелевые батареи

выдерживают тысячу полных циклов заряда-разряда и обеспечивают фургону дальность хода

в 180 километров. Этого вполне хватает на один-два дня работы в городе. Зарядка батареи

осуществляется за ночь. Грузоподъемность машины составляет 2 тонны, а максимальная

скорость — 80 км/час. Почти полное отсутствие движущихся частей (кроме ротора,

приводных валов и колес) означает высокую надежность автомобиля. Поэтому

межсервисный интервал равен 32 тыс. км, а гарантия дается на 160 тыс. км (т. е. на 3 года).

Городской миникар

«Land Glider» (Nissan)

Городской фургончик

«Modec»

Самосвал «Fuso» (Mitsubishi)

Рис. 7.6. Новые модели электромобилей

Необходимо учесть, что, хотя электромобили пока дороже традиционных «легковушек»,

эксплуатация электромобиля обходится на 35% дешевле, чем содержание машины с

обычным ДВС. Экономию обеспечивают не только отсутствие необходимости покупки

топлива, но и сравнительная простота электросиловой установки, не требующая

дополнительных затрат на масло и расходные материалы, а также ее низкая ремонтоёмкость

по сравнению с ДВС.

Практически все ведущие мировые автомобильные фирмы имеют хотя бы одну модель

электромобиля: Toyota Rav4-EV, BMW-i3, Ford Focus Electric, Mercedes-Benz Electric Drive,

Nissan Leaf, Chevrolet Volt, Renault Zoe, Citroën Berlingo, Tesla Roadster и др.

Важно отметить, что если для движения традиционного автомобиля необходима нефть

(бензин, дизель), которая есть далеко не у каждой страны, то электроэнергию для зарядки

аккумуляторов можно получать из различных источников – уголь, газ, уран, водные потоки,

солнце, ветер и др., и у любой страны что-то из этого «набора» обязательно имеется.

Массовое внедрение электромобилей имеет две серьёзные проблемы:

а) Необходимость разветвленной сервисной сети для подзарядки (эта проблема легко

решаема – такую подзарядку, скорей всего, организуют прямо на сегодняшних

бензоколонках, и проблему решит сам бизнес без какого-либо государственного

вмешательства);

б) Необходимость иметь в серии супер-ёмкостные и суперкомпактные аккумуляторные

батареи (литий-ионные или другие). Здесь ситуация иная. Проблема «б» требует

значительных исследовательских и технологических усилий, но и она близка к решению.

Например, ученые Массачусетского технологического института (MIT) создали

аккумулятор, в котором электроды сделаны с использованием углеродных нанотрубок.

Такой аккумулятор может выдержать ток в в 10 раз больше по сравнению с современными

http://www.topgearrussia.ru/cars/nissan/

http://www.topgearrussia.ru/cars/renault/

84

литий-ионными аккумуляторами, и его удельная мощность к единице массы увеличилась в 5

раз. Исследователи Стэнфордского университета недавно продемонстрировали

аккумуляторы с кремниевыми электродами, способные накапливать в себе 1000 Вт-ч/кг

энергии, что в 10 раз больше, чем литий-ионные аккумуляторы. До рынка эти разработки

должны добраться за три-пять лет.

Компьютерная компании IBM решила инвестировать часть своей прибыли в разработку

литий-воздушных аккумуляторов, энергоемкость которых в 1000 раз (!) превышает

соответствующий параметр их нынешних литий-ионных аналогов, что позволит

электромобилям успешно конкурировать со своими бензиновыми родственниками. Вместо

оксидов металлов в положительном электроде литий-воздушных ячеек используется углерод,

который и вступает в реакцию с окружающим его кислородом - отсюда происходит

"воздушная" часть названия новых аккумуляторов. Меньший вес катода позволяет в разы

уменьшить размеры батарей, к тому же срок их эксплуатации в пять раз дольше обычных.

Литий-воздушная автомобильная батарея будет иметь удельную энергоемкость,

аналогичную дизельному топливу – от 8 до 13 кВтч на килограмм веса, а запас хода

электромобиля составит до 1000 км на одной зарядке!

Проблемы длительной перезарядки аккумуляторов также можно решить «бизнес-

способами». Так, в Израиле начала работать первая в мире сеть проката электромобилей

«Better Place». При этом, в пакет услуг при аренде автомобиля входит быстрая замена

разрядившейся батареи аккумуляторов на новую (вместо длительной перезарядки), для чего

заключены договора с многочисленными станциями техобслуживания по всему Израилю.

Т.е. одна из основных причин, заставляющая автолюбителей сомневаться в том, стоит ли

сменить привычный автомобиль с ДВС на электрокар, – необходимость долгой зарядки

аккумуляторов «посреди дороги» – в Израиле устранена.

Ученые Lund University (Швеция) предложили утилизировать энергию торможения

автомобиля путем сжатия воздуха вместо подзарядки аккумулятора. Идея выглядит просто:

заправлять сжатым воздухом баллон во время торможения, а потом подавать этот сжатый

воздух в цилиндры во время разгона или трафика. Ученые подсчитали, что использование

сжатого воздуха в качестве накопителя энергии в городских автобусах может снизить расход

топлива на 30-40% и будет стоить гораздо дешевле, чем литий-ионные аккумуляторы.

Зато никаких проблем нет у электровелосипедов (в т.ч. с парковкой!). Поэтому

велосипеды с электрическими двигателями (48В, 500 Вт, это примерно 0,7 лошадиных сил) и

аккумулятором (время зарядки – 3 часа), все чаще появляются на улицах европейских

городов. Электромотор, совмещенный с колесом (рис. 7.7 – в центре),

Рис. 7.7. Электровелосипеды

способен развивать скорость по ровной дороге ок. 35 километров в час, и на одном заряде

проехать по городу в среднем 40-50 км, не крутя педали. А если совмещать работающий

85

электродвигатель с вращением педалей хотя бы при подъеме на гору и при разгоне, то это

позволит увеличить длительность поездки на одном заряде в 2-2,5 раза.

«Гугломобиль». Нельзя не отметить проект корпорации Google «Беспилотный

автомобиль», который сейчас находится на стадии тестироания. Перед беспилотным

автомобилем открываются невероятно широкие перспективы. Только в США машина

претендует на нишу с совокупной выручкой $2 триллиона в год. Технология «беспилотника»

имеет реальный потенциал сохранить миллионы жизней и уберечь миллионы людей от

травм, равно как «высвободить» для экономики сотни миллиардов долларов – за счет: а)

снижения числа ДТП на 90%; б) до 60% экономии времени водителей и топлива; в) высокий

спрос на «чудо-автомобиль». То есть только для США речь идет о 30000 спасенных жизней в

год, примерно 2 млн предотвращенных травм и примерно $500 миллиардов сэкономленных

страховых и медицинский выплат, а также вдвое меньшие расходы на моторное топливо

ежегодно. (А во всем мире, по данным ВОЗ, ежегодно гибнут на дорогах 1,25 миллионов

человек, из них 270 тыс. пешеходов, а травмируются около 50 миллионов – представляете

масштабы влияния этой разработки?!).

7.5. «Зеленые» авиалайнеры и морские суда

В ЕС создан экспериментальный самолет "Solar Impulse Airplane" – SIA (см. рис. 7.8) с

солнечными батареями на крыльях. Размах крыла у SIA - 65 метров, площадь - 200 м2, но вес

самолета – лишь 1,6 тонны, поскольку он сделан из углеродистых волокон. На его крыльях

расположены 12.000 солнечных батарей. Литий-ионные аккумуляторы расположены в

специальных гондолах под крыльями самолета. Скорость невысока - 250 км/ч. Недавно

"Solar Impulse Airplane" осуществил перелет от Западного к Восточному побережью США

без единой капли авиатоплива на борту.

Рис. 7.8. «Солнечный» самолет

Компания «Reaction Engine» (США) создала новый реактивный самолет «A2» на 300

пассажиров (рис. 7.9), который использует водород вместо традиционного топлива. Он имеет

двухступенчатый реактивный двигатель (турбореактивный двигатель и воздушно-

реактивный ускоритель), что позволит развивать скорость в 5 Махов (3400 км/час).

86

Реактивный самолет «A2» на

водородном топливе

Zero Emission Hyper Sonic Transport

Рис. 7.9. Водородная авиация

На недавнем Парижском авиасалоне концерн EADS (США) представил проект

авиалайнера Zero Emission Hyper Sonic Transport (рис. 7.9), который может приступить к

полетам в 2040-м году. Этот самолет сможет лететь с гиперзвуковой скоростью более 4,5

тыс. км/ч., используя водородное топливо. Самолет EADS не будет разрушать озоновый

слой, выбрасывать парниковые газы или сажу – лишь чистейший водяной пар. Маршрут

Лондон-Сидней этот самолет преодолеет всего за 4 часа вместо нынешних 20 час.

NASA (Национальное космическое агенство США) разрабатывает проект современного

грузового дирижабля (рис. 7.10). Разработчики полагают, что мир стоит на пороге настоящей

транспортной революции, в центре которой находится модернизированный гигантский

дирижабль, способный переносить до тысячи тонн грузов на несколько тысяч километров по

ценам на порядок ниже наземного и водного транспорта. Сверхпрочный корпус дирижабля

будет создан из современных композитных материалов и примет более аэродинамическую

форму. Дирижабли будут иметь водородные движители и смогут вертикально взлетать и

совершать посадку, а для их приема не нужно создавать специальную дорогостоящую

инфраструктуру аэропортов – они могут приземляться где угодно и даже зависать над

местом погрузки-разгрузки. Инженеры также работают над установлением на дирижаблях

солнечных батарей, что сделает их еще более эффективными.

Рис.7.10. Гигантский грузовой дирижабль

В ЕС также создан морской корабль «PlanetSolar» (рис.7.11). Он весит 60 тонн и может

вмещать 50 пассажиров. В его верхнюю палубу встроены 38000 солнечных ячеек.

Стоимость проекта - 18 миллионов евро.

87

Рис. 7.11. «Солнечное» морское судно

(вся верхняя палуба - солнечная электростанция)

Рис. 7.12. «Зеленая» яхта

Проект гибридной яхты длиной 66 м «Solar Hybrid Schooner», представлен компанией

«Sauter Carbon Offset Design» (США) – рис.7.12. Яхта станет самой быстрой «зеленой» яхтой,

использующей экологически чистые источники энергии. Ее паруса площадью 1,6 тыс. кв.

представляют собой «гибкие» солнечные панели, способные использовать как энергию

ветра, так и энергию солнца, что предполагает наличие на яхте литий-ионных батарей и

электродвигателя на гребном винте. Яхта способна развить скорость до 50 км/час, однако ее

круизная скорость - в пределах 26 км/час.

7.6. Прочий альтернативный транспорт Густая сеть высокоскоростных электрических железных дорог (скорость - 200-300 км/ч)

как частичная альтернатива использованию личных автомобилей также является

эффективным способом сэкономить нефтепродукты (ведь электричество можно получать и

без использования ископаемых топлив). Например, полная длина скоростной (300 км/ч)

железной дороги во Франции составляет на сегодня 1700 км со 149 станциями (остановками).

Эта железная дорога перевозит примерно 40.000 пассажиров в день (ок. 12 млн в год). Если

бы эти пассажиры использовали личные автомобили, то они нуждались бы в 100.000 тонн

бензина каждый год. Между прочим, чтобы перевезти поездом одну тонну груза на 200 км

нужно затратить 1 литр дизтоплива, но если использовать автотрак – нужно 3 литра.

В Европе компания Enfinity запустила первый поезд на солнечной энергии (рис. 7.13).

Первый "зелёный" поезд курсирует по маршруту Париж – Амстердам. Электричество для

88

Рис. 7.13. «Солнечный» электропоезд

поезда генерируется солнечными батареями, расположенными между рельсами. 16 тысяч

солнечных батарей, общей площадью 50 тысяч квадратных метров, производят 3,3 тысячи

мегаватт электроэнергии в час. Стоимость проекта составила 15,6 миллиона евро. А ведь

север Франции и тем более Голландия – это не Калифорния, и поток солнечной энергии в

этой местности не выше, чем в Украине.

Сети грузового трубопроводного транспорта (диаметр - 1-2 м) и подземные

логистические центры могут стать частичной альтернативой для грузовиков. Контейнерные

капсулы (длина 1-3 м) с товарами перемещаются (скорость 20 км/ч) в этих грузовых

трубопроводах с помощью пневматической энергии или линейной индуктивной

монорельсовой дороги (см. рис. 7.14).

Рис. 7.14. Сеть подземного грузового трубопроводного транспорта

Однако уже появляются проекты и пассажирского трубопроводного транспорта,

который может стать альтернативой не только пассажирском поездам, но и самолетам! Элон

Маск (Elon Musk) — американский миллиардер; он возглавляет совет директоров трех

инновационных компаний – SpaceX (космические челноки Dragon), Tesla Motors

(электромобили) и Solar-City (солнечная энергетика). Его новый проект сверхскоростного

транспорта «Hyperloop» позволит преодолевать 360 миль, разделяющих Сан-Франциско и

89

Лос-Анджелес, менее чем за 30 минут. То есть средняя скорость транспортной системы

составит 1200 км/час. Это в 3 раза быстрее, чем скорость самых быстрых поездов на

магнитной подушке (эксплуатационные скорости таких поездов сегодня не выше 300 км/час,

хотя в ходе испытаний они могут разгоняться до 500 км/час). Появились даже расчеты, что

новый вид транспорта по мере развития сети будет способен поддерживать на больших

расстояниях скорости до 6400 км/час. То есть поездка из Лос-Анджелеса до Нью-Йорка

будет занимать около часа с этапом разгона и торможения (дистанция 4,5 тыс. километров).

А самолетом – это 4 часа, да еще пару часов регистрация с досмотром.

Рис. 7.14а. Идея трубопроводного вакуумного пассажирского транспорта

В трубе, в условиях вакуума (т.е. без сопротивления) будет перемещаться герметичная

капсула с пассажирами. В трубе будет поддерживаться технический, а не «жёсткий» вакуум,

около 100 Па — то есть тысячной доли атмосферного давления Земли. Такие показатели

достижимы при помощи вполне обычных насосов умеренной стоимости и мощности.

Предлагается разместить в носу капсулы компрессор, приводимый в действие

электричеством и перекачивающий воздух от носа к корме. Одновременно тот же воздух от

набегающего сверхразрежённого потока будет использоваться для создания воздушной

подушки под капсулой. Хватит ли воздуха в условиях технического вакуума? Расчеты

показывают, что проблема легче, чем кажется: если давление в 1000 раз меньше

атмосферного, то и для «воздушнай подушки» нужно подавать под низ не так уж много

воздуха (9,4 кПа, что потребует подачи 0,2 кг воздуха в секунду).

90

7.7. Альтернативы моторному топливу

А что делать с тем миллиардом машин, которые уже колесят по Земле и загрязняют

атмосферу? – Нужно поставить целью отказаться (хотя бы частично) от нефтепродуктов в

качестве моторного топлива. Здесь вырисовывается несколько принципиальных путей:

А) Использование в качестве моторного топлива природного газа или пропан-бутана

(хотя это, все же, ископаемое топливо), утилизированного «угольного» метана, а также

биогаза. Например, только в Аргентине около миллиона автомобилей ездят на природном

газе (сжатом до 200 атмосфер), а в Италии – полтора миллиона авто ездят на сжиженном

пропан-бутане. «Газификация» автотранспорта решает сразу несколько проблем: резко

уменьшает «выхлоп» в атмосферу – только по выбросам СО сокращение в 4 раза; повышает

в 1,5 раза моторесурс ДВС, в 2 раза срок службы моторного масла, а свечей зажигания – в 3-4

раза; уменьшает потребность в бензине (1000 куб. м газа может заменить примерно 1 тонну

бензина); при этом «октановое число» (характеризует детонационную стойкость топлива, т.е.

способность топлива противостоять самовоспламенению при сжатии) метана = 107,5 против

83,5 для бензина АИ-92.

Рис. 7.15. Схема производства биоэтанола (www.cleandex.ru)

Б) Использование в качестве моторного топлива биоэтанола (рис. 7.15). Биоэтанол — это

обычный этанол C2H5OH, получаемый в процессе переработки растительного сырья для

использования в качестве биотоплива. Известный с давних времён способ получения

этанола — спиртовое брожение органических продуктов под действием ферментов (ныне для

91

этих целей применяются рекомбинантные препараты альфа-амилазы, полученные

биоинженерным путем). Суммарную реакцию можно выразить уравнением:

C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2

Для производства топливного этанола применяется «мокрый» способ производства, в то

время как для производства пищевого спирта применяется «сухой» способ. Мировое

производство биоэтанола в 2010 г. составило 90 миллиардов литров, лидеры - Бразилию и

США. Этанол в Бразилии производится преимущественно из сахарного тростника, а в

США — из кукурузы (сейчас для этого используется генно-модифицированная кукуруза с

повышенным содержанием крахмала). В последнее время Бразилия использует в качестве

топлива смесь бензина и биоэтанола («газохол»), в которой содержимое биоэтанола

составляет 10-25% - это позволило Бразилии сэкономить за несколько лет 35 млрд долларов

на закупках нефти. Украина планирует довести потребление топливного биоэтанола к 2015 г.

до 250 тыс. тонн.

Этанол можно производить в больших количествах из целлюлозы. Сырьём также могут

быть различные отходы сельского и лесного хозяйства: пшеничная и рисовая солома,

кочаны, древесные опилки и т. д. Кроме сбережения бюджета, применение альтернативного

топлива позволяет существенно (4-5 раз) уменьшить содержание вредных компонентов в

выхлопных газах (в основном, оксидов углерода и азота, углеводородов), а также выбросов

СО2 – в 2-2,5 раза.

В) Энергетическое самообеспечение получило в мире развитие ещё и в направлении

выращивания масличной культуры - рапса (или сои), которые затем полностью

перерабатываются в дизтопливо «биодит» по несложной технологии – рис. 7.16 (рапсовое

или соевое масло переэтерифицируется метанолом в щелочной среде - приблизительно в

пропорции [1 т масла + 200 кг метанола] - при температуре 60°С и нормальном давлении).

Урожайность рапса достигает 20-25 центнеров с гектара. Средний выход продукции (по

маслу) – для рапса - 1 т/га, для сои 0,4 т/га. По данным статистики, мировое производство

рапса уже превышает 60 млн. тонн, под эту культуру отведено в мире 30 млн. га. Обычно

используют смеси обычного дизтоплива с 10% биодизеля.

Однако наиболее перспективным источником сырья для производства биодизеля

являются морские водоросли. По оценкам компании «Green Star Products» с 1 акра (0,4 га)

земли можно получить 50 галлонов (1 галлон – 3,8 л) соевого масла против 10.000 галлонов

из водорослей (если этот акр занять под пруд). Биодизель, как показали опыты, при

попадании в воду не причиняет вреда растениям и животным; кроме того, он подвергается

практически полному биологическому распаду: в почве или в воде микроорганизмы за 28

92

Рис.7.16. Схема производства биодизеля:

1 – низкотемпературный газовый генератор; 2 – высокотемпературный реактор; 3 – пылевой фильтр;

4 – теплообменник; 5 – подача воды; 6 – сепаратор; 7 – многотрубочный реактор; 8 – газовый

компрессор; 9 – конденсор; 10 – система охлаждения; 11 – нагреватель; 12 – дистилляционная

емкость; 13 – газовый электрогенератор; 14 – резервуар с готовым топливом.

дней перерабатывают 99 % биодизеля, что позволяет говорить о его минимальной

экологической опасности. Токсичность выхлопов снижается в 3-4 раза, выбросы СО2 – вдвое.

Также ученые США путем проведения сложных генетических операций сумели создать

микроб, поедающий бурые водоросли. Именно этот микроорганизм способен извлекать из

морских растений основные сахара и превращать их в "зеленый" и потенциально дешевый

источник топлива. Большие плантации водорослей при использовании технологии,

разработанной в американской лаборатории, позволят производить возобновляемое топливо

и не прибегать к использованию традиционных источников биотоплива, таких как зерно и

сахарный тростник. Кроме того, культивирование водорослей благотворно повлияет на

окружающую среду в целом, как над водой, так и под водой.

Г) Использование сжиженного диметилэфира (ДМЭ, tºкип = -25ºС), который получается

из метилового спирта, для частичной замены дизтоплива; если дизтопливо имеет "цетановое

число" (аналог "октанового числа" для бензина) в среднем 40-45, то ДМЭ - до 60. Кроме

того, ДМЭ обеспечивает зимой холодный запуск двигателя (без прогревания). Ну и, конечно,

вредность "выхлопов" уменьшается в несколько раз, а парниковых газов - вдвое.

Производство биотоплив (этанол и биодизель) в 2010 году приблизилось к 100 млрд.

литров в год (около 6% от ежегодного мирового потребления бензина: биоэтанол – 80,

биодизель - 20 млрд литров в год). По сравнению с 2005 годом производство биодизеля

возросло в 6 раз, а биоэтанола удвоилось). Украина имеет большой потенциал для

производства как «энергетической кукурузы» для биоэтанола, так и рапса для биодизеля; ей

вполне по силам производить 5 млн тонн/год биотоплива.

7.8. Ионный двигатель

Явление электрогидродинамической тяги («ионного ветра») было открыто еще в 1960-м

году. Суть его в том, что при прохождении тока между двумя электродами, один из которых

тоньше, чем другой, создается поток ионизированного воздуха (рис. 7.17). Если подать на

проводники достаточное напряжение, то можно получить очень мощную воздушную струю,

которой будет достаточно для того, чтобы удерживать самолет в воздухе или двигать

93

корабль (любых размеров!) на воздушной подушке. «Ионный ветер» может выдавать до 110

ньютонов тяги на киловатт, по сравнению с двумя ньютонами на киловатт у обычного

реактивного двигателя – 50-ти-кратная экономия! И никаких выхлопов!

Рис. 7.17. Схема ионного двигателя

94

8. Жилищно-коммунальное хозяйство 8.1. «Нулевые» дома

На жилищно-коммунальное хозяйство (ЖКХ) приходится примерно 40%

энергопотребления в большинстве стран мира. К сожалению, ЖКХ постсоветских стран

является одной из самой энергозатратных и энергоНЕэффективных отраслей народного

хозяйства. Так, украинское ЖКХ потребляет в год около 20 млрд кубометров природного

газа, в то время как вся Польша (т.е. промышленность плюс ЖКХ) потребляет газа лишь 14

млрд м3/год. Реальные потери тепла в коммунальных сетях Украины оцениваются в 30-40%.

По данным российских экспертов, на сектор ЖКХ России приходится треть всех тепловых

потерь, а это свыше 100 миллионов тонн условного топлива (у.т.) в год. Кроме того, много

тепла теряется через плохо утепленные стены, крышу и окна зданий (см. рис. 8.1).

Рис. 8.1. – Диаграмма потерь тепла из жилого одноэтажного дома

(общая площадь - 130 кв.м)

Следует обратить внимание, что через окна, которые занимают всего лишь 20%

поверхности дома (стены + пол + крыша), теряется почти вдвое больше тепла, чем через

стены, поверхность которых составляет 55%.

Основная проблема ЖКХ – полное отсутствие там рыночной конкуренции. А ведь еще

один из основоположников современной экономической теории Адам Смит доказал, что

именно конкуренция в условиях рынка является регулирующей силой, которая определяет

уровень качества товаров и услуг.

Здания представляют собой сложные энергетические системы, состоящие из оболочки

здания и ее изоляции, систем отопления и кондиционирования помещений, систем

водонагрева, освещения, приборов учета, различного оборудования – как обслуживающего

(лифты, освещение лесничных клеток, др.), так и «внутриквартирного» (холодильники,

стиральные машины, отопители, кондиционеры и т.д.).

Энергопотребление на 1 кв. м в "энергосберегающих" домах составляет 50-80 кВт/ч при

российской норме 192 кВт/ч и европейских нормах - 139 кВт/час. Современный утепленный

дом имеет теплопотери 50 Вт с 1 м2 площади, старые дома – 100-150 Вт/м

2.

Всё большую популярность по всему миру набирают так наз. “Нулевые Энергетические

Здания” («Zero Energy House») - то есть здания без - или почти без - потребления любой

энергии и ресурсов извне) - см. рис. 8.2 и 8.3.

95

Рис. 8.2. Нулевой энергетический дом (проект М. Краснянского): 1 – тепловой насос; 2 – теплая вода; 3 – холодная «отработанная» вода; 4 – ветровые микро-турбины;

5 – светодиод; 6 – солнечные панели; 7 – воздушный фильтр; 8 – теплообменник для утилизации

тепла воздушных потоков; 9 – двойной стеклопакет; 10 – теплоизоляция стены дома; 11 – вода после

очистки; 12 – туалет; 13 – солнечная панель; 14 – электроаккумулятор; (13 и 14 - это уличный

«фонарный столб» с автономным накопительным источником электроэнергии); 15 – прачечная; 16 –

низкоэнергетические "сухие" стиральные машины (почти не используют воду и моющие средства);

17 – биохимическая очистка сточных вод; 18 – змеевик теплонасоса с жидким аммиаком.

В настоящее время Китай строит 300-метровую 70-этажную "Башню жемчужной реки"

(Pearl River Tower) в городе Гуаньджоу - рис. 8.3. Это будет уже не "домик", а небоскрёб с

"нулевой энергией"! Т.е он не будет потреблять электричество из внешней сети, а также

почти не будет потреблять воды. Здание будет использовать энергию ветра и солнца.

Выгнутые фасады "Башни жемчужной реки" призваны направлять ветер в специальные

"жерла", продуваемые насквозь, которые имеются на каждом из этажей и где установлены

ветровые турбины, По фасаду имеются ряды солнечных батарей (фотоэлектрических

панелей), поставляющих электричество в аккумуляторы здания. Кроме того, на здании

смонтированы и солнечные тепловые коллекторы, нагревающие воду для обитателей

небоскрёба. В проекте запланировали систему сбора дождевой воды, а также систему

очистки и рециркуляции воды сточной, что должно сократить до минимума потребность

здания во внешнем источнике воды.

воздух

96

Рис. 8.3. "Нулевой небоскрёб"

(на правом торце здания видны спиральные "ветровые жерла")

Давайте последовательно рассмотрим все факторы энергосбережения в ЖКХ, не

связанные с многомиллиардными проектами.

8.2. Отопление и горячая вода от районной котельной

Плата за отопление и горячую воду составляет не менее половины стоимости всех услуг

ЖКХ, поэтому энергосбережение в теплоснабжении имеет повышенную эффективность.

Традиционный способ производства коммунального тепла – котельная с паровым котлом

на газе или на угле (мазуте) и дальнейшая подача пара и горячей воды по изолированным

металлическим трубам в дома. Этот способ – один из самых энергозатратных и

неэффективных. Во-первых, реальный кпд парового котла средней изношенности едва

дотягивает до 50%; во-вторых, реальные потери энергии в теплопроводах равны 30-40%; в

третьих, почти ни одна котельная Украины не имеет на выходе теплосчетчика, т.е. теплосėти

не ведут приборного учета выпускаемой ими продукции - тепла. Конечно, можно повысить

кпд котельной, например, путем оптимизации теплопункта здания (см. рис. 8.4). Можно

также уменьшить потери тепловых сетей, заменив металлические трубы

металлопластиковыми (или полипропиленовыми) со специзоляцией, имеющими гарантию на

30 лет (полипропиленовые трубы не только не подвержены коррозии, но и имеют

теплопроводность в 200 раз ниже стальных). Кроме того, если посчитать стоимость

электроэнергии для подачи по трубопроводам горячей (да и холодной) воды, то (при диам.

300 мм, скорости воды 3 м/с и расходе 750 тыс. куб.м/час) на 1 км старого трубопровода

затраты возрастают в 5 раз (из-за значительного сужения диаметра труб вследствие

образования накипи и др.), поэтому периодически трубу надо прочищать специальными

технологиями. Также можно утеплить наружные стены дома.

97

а

б

Рис. 8.4. Схема пропорционального (а) и позиционного (б) регулирования тепловой

мощности системы отопления 1 – система отопления; 2 – циркуляционный насос; 3 – регулировочный клапан; 4 – элеватор;

5 – датчик температуры теплоносителя; 6 – датчик температуры наружного воздуха (поз. 5 и 6

совмещены в электронном регуляторе»; 7 – электронный регулятор (типа КИАРМ-ТС7);

Т1 и Т2 – теплоноситель тепловой сети (подача-«обратка»).

Радикальный способ – заменить паровой котел в районной котельной на парогазовую

когенерационную установку (ПГУ) – см. выше раздел 3.3. Но наиболее радикальный способ

повыщения кпд котельной – это отсоединиться от районной котельной и поставить на крыше

дома или на земле впритык к дому (имеется в виду дом многоэтажный) автономную

котельную - рис. 8.5. Главные преимущества: а) тепло используется по себестоимости, без

«накруток»; б) нет никаких теплосетей с их огромными эксплуатационными затратами и

неприемлемо высокими потерями тепла.

Рис. 8.5. Автономная котельная (модуль 10х5х3 м) (www.petro-eng.ru)

98

8.3. Утепление стен

Следующая возможность для энергосбережения – утепление стен домов (см. рис. 8.6,

8.7).

а) б)

Рис. 8.6. Схема утепления стен снаружи (а) и изнутри (б) 1 – стеновая конструкция; 2 – внутренний декоративный слой (штукатурка, обои); 3 – утеплитель;

4 – внешний декоративный слой (штукатурка, облицовочная плитка, др.); 5 – пароизоляция (защита

от конденсата)

Рис. 8.7. Более детальная схема наружного утепления стены дома

99

Однако, к сожалению, утепление, допустим, стандартной девятиэтажки – довольно

дорогостоящий проект. Поэтому, не нужно утеплять «всё подряд». Прежде, чем утеплять

многоэтажный дом – необходимо произвести тепловизионную диагностику.

Тепловизионная диагностика — это эффективный способ обследования зданий в

инфракрасном диапазоне спектра. При тепловизионном обследовании мы получаем

«тепловую картинку», по которой можем судить о энергетической эффективности здания.

Тепловизионная диагностика зданий позволяет выявлять: утечки тепла; дефекты

теплоизоляции (труб отопления, кровли, утепления стен домов и т.п ); места «протекания»

тепла; обнаружение скрытых труб теплоснабжения. Тепловизионная диагностика зданий -

это способ контроля за эффективностью расхода тепловой энергии. Тепловизионное

обследование может служить одним из важных инструментов энергоаудита (энергетического

обследования) жилых домов и производственных объектов.

Нужно отметить, что строительные и изоляционные материалы имеют

неодинаковую способность «держать» тепло – см. табл. 8.1.

Табл. 8.1. Тепловые характеристики стройматериалов

Тип стены Толщина, м Плотность

материала,

т/м3

Термическое

сопротивление

(«изоляционная

способность»),

м2

°К/Вт

Цельный

кирпич, блок

0,25 1,8 0,3

Полый кирпич,

блок

0,25 0,8 0,5

Древесина

прессован.

0,1 0,3 0,8

Минеральная

вата

0,1 0,1 1,4

Пенопласт 0,05 0,06 1,6

8.4. Электронагреватели и теплонакопители

Более эффективный и менее затратный способ – перейти на отопление электричеством.

Использование его исключает дорогостоящие строительные мероприятия по приобретению и

установке отопительного котла, прокладке теплосетей, устройству дымохода и прочих работ.

Электроотопление можно осуществлять инфракрасными (ИК) излучателями, масляными

каминами, электроконвекторами и др. (рис. 8.8). Применение электроэнергии для отопления

в населенных пунктах также даст возможность выгодно использовать недорогую «ночную»

электроэнергию, уменьшая нагрузку на энергосети в дневные часы пик (рис. 8.9).

100

ИК излучатели (выше – настенный,

ниже – потолочный, справа –

напольный)

Масляный

электрокамин

Настенный

электрический радиатор

(электроконвектор)

Рис. 8.8. Квартирные электрообогреватели

Теплонакопитель (рис. 8.9) потребляет электроэнергию во время действия «ночного»,

дешевого тарифа и накапливает энергию в виде тепла в теплонакопительном сердечнике из

магнезитовых блоков (1). Подача электроэнергии на трубчатые электронагреватели

происходит по сигналам таймера. Манометрический терморегулятор (5) управляет уровнем

зарядки теплонакопителя (температурой теплонакопительного ядра). Настройка

манометрического терморегулятора может производиться как в ручном режиме, с

использованием ручки (4), так и в автоматическом режиме (с использованием блока

управления и датчика погодных условий). Защитой от перегрева служит

биметаллический термопредохранитель. Эффективный слой теплоизоляции

(2) обеспечивает хранение запасенной в теплонакопителе энергии как в термосе. Тепло

отдается прибором по мере необходимости, почти бесшумно, благодаря встроенному

вентилятору. Значение требуемого уровня температуры устанавливается в помещении на

комнатном терморегуляторе. При понижении температуры термостат включает встроенный в

теплонакопитель вентилятор (7). Воздух, проходя через специальные каналы

теплонакопительного сердечника, нагревается и поступает обратно в отапливаемое

помещение. При достижении заданной температуры в помещении комнатный

терморегулятор отключает вентилятор.

101

Рис. 8.9. Схема использования теплонакопителя для потребления электроэнергии

по «ночному» тарифу (aledo.com.ua)

1 - магнезитовые блоки; 2 - слой теплоизоляции; 3 – трубчатые электронагреватели; 4 – ручка

настройки; 5 – терморегулятор; 6 - корпус; 7 – вентилятор; 8 – заслонка;

9 - биметаллический датчик;

Табл.8.2. Сравнительное теплопотребление для жилья

Способ

отопления

Для квартиры в многоэт. доме

75 м2 (200 м

3)

Индивид. дом

75 м2 (200 м

3)

Расход газа, м3 Теплопотребность,

МВт-ч

Теплопотребность,

МВт-ч

Локальная

система

1050 4,5 2,3

Районная

котельная

3000 14,1 -

В южных районах Украины (Крым, Одесса) частные дома могут частично

обеспечиваться теплом и горячей водой за счет использования солнечных коллекторов – см.

рис. 8.10 (этот вопрос затрагивался также в разделе 6). В таких домах могут быть

использованы и солнечные панели для получения электрической энергии – см. табл. 8.3.

http://www.aledo.com.ua/

102

Рис. 8.10. Схема снабжения теплом и горячей водой небольшого

индивидуального дома с использованием солнечных коллекторов

Табл. 8.3. Возможное покрытие энергетических потребностей в теплоте (отопление

и горячая вода) для квартиры 200 м3 (75 м

2) за счет солнечных панелей (20 м

2)

(на широте г. Одесса)

Месяц Произведено, кВт-ч Необходимо дополнит. из других

источников, кВт-ч

Январь 150 1900

Июль 400 0

За год 6700 6200

Однако последние достижения в области отопления зданий еще более впечатляют. Так,

компания «Bloom Energy» (США) недавно начала продажу компактных автономных

электростанций («Energy Server-100kW»), основанных на твердо-оксидных топливных

элементах, т.е. там происходит так наз. «беспламенное» горение газа с прямым

преобразованием в электрический ток (этот вопрос подробно обсуждался в разделе 7.4).

Расход газа на 1 кВт производимой энергии уменьшен в 8 раз (!) по сравнению с

традиционными электростанциями. Одна такая станция может обеспечить электроэнергией

(отопление, кондиционирование, освещение) 100 частных домов или одно среднее офисное

здание. Экологически озабоченное руководство Google уже приобрело такую станцию для

своего головного офиса.

8.5. Отопление тепловыми насосами Природа создала для человечества грандиозный тепловой источник энергии: это –

нагретые солнцем верхние слои океанов, морей, рек, озер, почвы или нижний (приземный)

103

слой атмосферы Земли (это - так называемая "вторичная" солнечная энергия). Эта

"вторичная" солнечная энергия может быть использована с помощью тепловых насосов. В

30-ти странах мира действует более 2 млн тепловых насосов, суммарной тепловой

мощностью более 30 ГВт, утилизирующих природное и сбросное тепло и обеспечивающих

теплоснабжение зданий. Например, сотни тысяч тепловых насосов отапливают здания на

севере Европы - в Швеции, Норвегии, Финляндии, а также в северных штатах США.

Основное отличие теплового насоса от других генераторов тепловой энергии, например,

электрических, газовых и дизельных генераторов тепла заключается в том, что здесь при

производстве тепла до 80% энергии извлекается из окружающей среды. Т.е. тепловой насос

как бы «выкачивает» солнечную энергию, накопленную за теплое время года, из грунта, из

озера (реки) или из воздуха и «перекачивает» ее в помещение (см. рис. 8.11-8.12). (Это как

бы «холодильник наоборот»).

Рис. 8.11. Принцип работы теплового насоса

Рис. 8.12. Энергоэффективность теплового насоса (ТН) 1 – энергия, потребленная ТН; 2 – энергия, вырабатываемая ТН.

Энергоэффективность ε теплового насоса равна: ε = η , где: η – кпд компрес-

сора, Т1- температура хладоагента перед сжатием, а Т2 – после сжатия. Обычно ε = 3-5.

Тёплый водоём

104

Рис. 8.13. Схема отопления дома с помощью теплового насоса

(обратите внимание: змеевик слева нагревается не напрямую от солнца, а через

«окружаючую среду»!)

1. Испаритель (змеевик, система плоских труб и др.) при отоплении домов - либо

погружен в водоем, либо его закапывают в грунт, либо оставляют на открытом воздухе. При

утилизации промышленного тепла – змеевик «омывается» водой, паром или воздухом с

остаточным теплом (вода после охлаждения горячего объекта, пар после турбины, воздух из

вентиляционного канала «горячего» цеха и др.). В змеевике находится жидкий хладагент –

фреон, жидкий аммиак, др. Необходимо понимать, что температура его кипения – минус 20-

30°С, поэтому даже вода с температурой, близкой к нулю, и даже грунт в зимнее время с

температурой минус 5 – для такого хладоагента «горячо» - и хладоагент начинает

испаряться за счет относительного тепла грунта или водоема. Т.е. здесь используется

способность жидкого хладоагента к испарению даже при минусовых температурах и

накоплению поглощаемой им при этом энергии. Т.е. забор тепла из окружающей среды

происходит именно в испарителе теплового насоса.

2. Компрессор всасывает перешедший в газообразное состояние хладагент и сжимает его.

При этом сильно повышается температура хладагента – до +60°С.

3. Горячий хладагент поступает в конденсатор, представляющий собой теплообменник, в

котором происходит передача полученного из окружающей среды тепла в отопительную

систему помещения.

4. Перешедший после охлаждения в жидкое состояние хладагент вновь способен к

поглощению тепла из окружающей среды, после того как посредством расширительного

(дроссельного) клапана будут снижены давление и температура. Таким образом, циркуляция

в системе начинается сначала.

Возможны два варианта получения низкопотенциального тепла из грунта: укладка

металлопластиковых труб в траншеи глубиной 1,2–1,5 м либо в вертикальные скважины

глубиной 20–100 м (см. рис. 8.14). Иногда трубы укладывают в виде спиралей в траншеи

глубиной 2–4 м. Это значительно уменьшает общую длину траншей. Максимальная

теплоотдача поверхностного грунта составляет 50–70 кВт·ч/м2 в год.

Методика расчета горизонтального коллектора теплового насоса Съём тепла с каждого метра трубы зависит от многих параметров: глубины укладки,

наличия грунтовых вод, качества грунта и т.д. Ориентировочно можно считать, что для

105

горизонтальных коллекторов он составляет 20 Вт/м. Минимальное расстояние между

проложенными трубами должно быть 0,7–0,8 м. Длина одной траншеи составляет обычно от

30 до 120 м. В качестве теплоносителя первичного контура рекомендуется использовать 25-

процентный раствор гликоля. В расчетах следует учесть, что его теплоемкость при

Рис. 8.14. Схема закладки змеевика теплонасоса

температуре 0 °С составляет 3,7 кДж/(кг·К), плотность – 1,05 г/см3. При использовании

антифриза потери давления в трубах в 1,5 раза больше, чем при циркуляции воды. Для

расчета параметров первичного контура теплонасосной установки потребуется определить

расход антифриза: Vs = Qo·3600 / (1,05·3,7·t), где:

t – разность температур между подающей и возвратной линиями, которую часто принимают

равной 3°С, а Qo – тепловая мощность, получаемая от низкопотенциального источника

(грунт). Последняя величина рассчитывается как разница полной мощности теплового насоса

Qwp и электрической мощности, затрачиваемой на нагрев фреона P: Qo = Qwp – P, кВт.

Суммарная длина труб коллектора L и общая площадь участка под него A рассчитываются

по формулам: L = Qo/q, A = L·da, где:

q – удельный (с 1 м трубы) теплосъем; da – расстояние между трубами (шаг укладки).

Пример расчета теплового насоса. Исходные условия: теплопотребность коттеджа площадью 120–240 м

2 (в зависимости от

теплоизоляции) – 12 кВт; температура воды в системе отопления должна быть 35°С;

минимальная температура теплоносителя – 0 °С. Для обогрева здания выбран тепловой насос

мощностью 14,5 кВт, затрачивающий на нагрев фреона 3,22 кВт. Теплосъем с поверхно-

стного слоя грунта (сухая глина) q равняется 20 Вт/м. В соответствии с показанными выше

формулами рассчитываем:

1) требуемую тепловую мощность коллектора Qo = 14,5 – 3,22 = 11,28 кВт;

2) суммарную длину труб L = Qo/q = 11,28/0,020 = 564 м;

Змеевик (варианты)

106

для организации такого коллектора потребуется 6 контуров длиной по 100 м;

3) при шаге укладки 0,75 м необходимая площадь участка А = 600 х 0,75 = 450 м2;

4) общий расход гликолевого раствора Vs = 11,28·3600/ (1,05·3,7·3) = 3,51 м3/ч, расход на

один контур равен 0,58 м3/ч.

Для устройства коллектора выбираем металлопластиковую трубу типоразмера 32. Потери

давления в ней составят 45 Па/м; сопротивление одного контура – примерно 7 кПа; скорость

потока теплоносителя – 0,3 м/с.

8.6. Тепло вентиляционных потоков Значительная часть теплоты при теплоснабжении зданий расходуется на вентиляцию.

Экономия может быть достигнута путем использования теплоты удаляемого вытяжной

вентиляцией воздуха для подогрева наружного приточного. Для этого применяются

специальные агрегаты. На рис. 8.15 показан противоточный агрегат с рекуператором

Рис.8.15. Рекуператор теплоты вентиляционного воздуха:

1-приточный вентилятор: 2-вытяжной вентилятор; 3-рекуператор; 4,5-приточный

и вытяжной фильтры; 6-термостат размораживания; 7-дренажный патрубок

тепла. Он состоит из двух вентиляторов (один — вытяжной, другой — приточный),

рекуперационного блока и фильтров из синтетического моющегося материала, которые за-

щищают рекуперационный блок от загрязнения. Тепловой КПД теплообменного аппарата

противоточного типа достигает 65—75%. Габаритные размеры агрегата

производительностью 330 м3/ч составляют 850х550х500 мм.

8.7. Освещение

Технологически передовые страны прощаются с традиционными лампами накаливания.

Обычная лампочка накаливания только несколько процентов получаемой энергии излучает в

виде полезного света, и то не белого, а желтого, т.к. работает в инфракрасной области

спектра. Остальные 90-95% тратятся на нагрев - ведь в такой лампочке, как известно,

светится раскаленная спираль.

Люминесцентные лампы (рис. 8.16) светятся, когда в них загорается электрический

разряд: в заполняющем трубку газе некоторое количество электронов отрывается от своих

атомов и движется с ускорением в электрическом поле. Когда такой ускоренный электрон

сталкивается с атомом, он отдает энергию в виде ультрафиолетового излучения. Трубка

покрыта изнутри люминофором, который поглощает этот ультрафиолетовый свет и

107

переизлучает его уже как видимый свет. С точки зрения кпд это уже гораздо лучше, потому

что в принципе собрать ультрафиолет и перевести его в видимый свет легче.

Люминесцентные лампы примерно в 4-5 раз эффективнее ламп накаливания.

На смену им приходят высокоэффективные светодиоды (light-emitting diode - LED) –

рис. 8.16. Так, маленький 10-ваттный светодиод последнего поколения имеет яркость

примерно 20 люм/ватт, в то время как привычная нам 100-ваттная лампа накаливания даёт

лишь 15 люм/ватт (остальная энергия идет на пустое нагревание воздуха), т.е. светодиод

эффективнее «лампочки Ильича» в [(100 : 10)·20/15] = 13 раз и к тому же имеет ресурс 10

лет. Кроме того, в отличие от люминесцентных ламп, светодиоды включаются мгновенно.

Светодиод излучает непосредственно видимый свет. У него нет бьющейся стеклянной

колбы, он безопасен и не содержит ртути и прочих вредных веществ, не перегорает при

включении/выключении, не требует высоковольтного питания, он компактен и может быть

встроен куда угодно, работает при любой окружающей температуре. По сути, это тот же

самый полупроводниковый диод, который применяется в электрических схемах как

выпрямитель, только сделан он не из кремния, а из специальных, так называемых

«прямозонных» полупроводников.

Люминесцентные лампы

Светодиодная лампа (одна!)

Рис. 8.16. Новые осветительные лампы

Правда, пока светодиоды в 2-3 раза дороже ламп накаливания. Но на подходе уже новейшая

технологию освещения - SSL (solid-state lighting), продукция которой по стоимости будет

сопоставима с обычной 100-ваттной лампой ($2-3 за шт.) и будет иметь ресурс 50 лет.

С лампами «арифметика» такая - 10 млн высокоэффективных ламп позволяют заменить 1

энергоблок мощностью до 1 МВт. Цена одной светодиодной лампы в РФ около $20 а одного

энергоблока - $2 млрд. То есть, примерно затрата $200 млн на замену ламп экономит 1,8

миллиарда долларов. То же и для Украины - если, например, во всех жилых и офисных

зданиях Украины заменить имеющиеся лампы на светодиоды, можно будет одну украинскую

АЭС полностью перевести на экспорт электроэнергии - таков масштаб данной проблемы.

8.8. Низкоэнергетическая бытовая техника

Многие ведущие мировые фирмы разрабатывают и создают низкоэнергетическую

бытовую технику. Так, Компания «Xeros» (не путать с «Ксерокс»!) разработала стиральную

машину, которая потребляет на 90% меньше воды, на 30% меньше электроэнергии и вдвое

меньше моющих средств. Мельчайшие шарики пористого поляризованного нейлона

добавляют в барабан вместе с (всего!) чашкой воды и каплей моющего средства. Нейлоновые

108

шарики, которые работают как адсорбент и как «мочалка» одновременно, оттирают грязь и

впитывают ее вместе с грязной водой (их можно регенерировать). Сушка не требуется.

Инженеры США (Ames Laboratory) и Японии (Toshiba) буквально «наперегонки»

разрабатывают домашние холодильники на основе магнитотеплового эффекта, который

является «тепловым ответом» материала на изменение магнитного поля. Особенно

эффективны для «магнитного охлаждения» сплавы редкоземельного металла гадолиния.

Такие холодильники не имеют компрессора и экологически вредных фреонов, в них

полностью отсутствуют движущиеся и трущиеся части, а энергии они потребляют в

несколько раз меньше традиционных.

Пенсильванский университет (UPenn) и компания «Cool Sound Industries» конкурируют,

разрабатывая бытовые холодильники и кондиционеры по новой термоакустической

технологии (преобразование высокоамплитудных колебаний звуковой энергии в тепло-

холод). Здесь также не будет ни компрессора, ни фреона, а расход энергии - в разы ниже.

8.9. Напор воды в кране

Ученые из Южной Кореи создали микро-гидротурбину. Ее корпус надевается на

обыкновенный кран домашнего водопровода (рис. 8.17): внутри корпуса - маленькое

«водяное колесо»). Устройство использует энергию гидравлического давления в

водопроводной трубе, которая и вращает минитурбину. Пока водопроводный кран включен,

произведенная электроэнергия может, например, привести в действие кофемолку, или

подзарядить мобильник. Правда, украинское ЖКХ не страдает излишним напором воды, но

в Европе, США, развитых странах Азии напор высокий.

Рис. 8.17. Микро-гидротурбина

8.10. Опыт ЖКХ США

Вот пример типичной американской бизнес-компании средней руки, сдающей в рент

квартиры. Она представляет собой так наз. «КОММУНАЛЬНЫЙ КЛАСТЕР» («КК»). В

собственности этого КК находятся (это, конечно, частная собственность, сдаваемая в рент, а

не объединение жильцов): 12 трехэтажных двухподъездных домов – это около 300 2-3-х-

комнатных квартир, все наружные (в пределах территории КК) и внутренние сети и

коммуникации, бассейн, спорткомплекс, централизованная прачечная, огромная парковка,

обширная «зеленая» территория. Вся уборка и озеленение территории, профилактика

бассейна и крупные ремонты осуществляют подрядные организации, отобранные путем

открытого конкурса (как и поставщики газа, воды, электричества, интернета). В офисе сидят

лишь менеджер и 3 работника (на 12 домов). В компьютер менеджера поступают количества

всех входящих потоков и все суточные подомовые (но не поквартирные – это слишком

109

сложно) расходы электричества, газа, воды, тепла (если оно извне) – через специальную

автоматизированную систему технического и коммерческого учета, а утечки и потери

потоков там сразу видны по резкому изменению среднесуточного расхода, и их тут же

устраняют. (Кстати, средние реальные потери во всех американских электросетях – 6,5%, в

водопроводных сетях - 8% - данные 2010 г.).

В офисах и др. общественных помещениях используются так наз. «нажимные» водяные

краны, которые при разовом нажатии включаются только на 10 секунд, что сокращает расход

воды в 3-5 раз - но в жилых домах они распространены мало.

Поквартирные счетчики газа, электричества и воды (тепло «индивидуальное», оно не

учитывается счетчиками) вынесены из квартир и подъездов и находятся в металлических

шкафах на земле возле глухих стен домов. Кроме того, 300 квартир выдают еженедельно

гору вторсырья (сбор мусора в США строго раздельный, под каждый вид – отдельный

контейнер, и экологически просвещенные американцы послушно кладут чего куда надо),

доход от продажи которого поступает на счета КК. Оплата всех коммунальных услуг

осуществляется через домашний компьютер: один «клик» - и никаких хлопот!

ВАЖНЕЙШИЙ ПРИНЦИП американских Коммунальных Кластеров: не покупать и не

транспортировать извне тепло и горячую воду – это слишком затратно. Тепло и горячая вода

производятся строго внутри КК с помощью газа или электроэнергии (потому и нет

теплосчетчиков). Горячую воду поставляет общедомовой бойлер с насосом (в подвале или

на крыше). Для отопления имеются несколько путей:

-Этот самый бойлер (но более мощный) гоняет горячую воду по радиаторам,

установленным в квартирах (только они не чугунные, а алюминиевые);

-Каждая квартира имеет встроенный газовый мини-котел с вентилятором или

электрический тепловентилятор-кондиционер (вариант – общедомовой тепловентилятор-

кондиционер в подвале или на крыше);

-В более современных квартирах в стены (или в пол/потолок) вмурованы гибкие провода-

тэны; кухонные плиты там тоже электрические, так что газовой разводки нет вовсе;

-Может быть малая котельная для всего КК (это нечасто, потому что никто не хочет

прокладывать и поддерживать лишние коммуникации и иметь лишние потери). Но в таких

котельных давно уже не ставят паровых котлов – там стоят малые парогазовые установки

(ПГУ), которые производят не только тепло, но и электрический ток (так наз. «когенерация»)

и имеют кпд вдвое выше паровых котлов. Также на крышах многих жилых домов (особенно

в южных штатах) смонтированы солнечные панели.

-В северных американских штатах для отопления жилых помещений и подогрева воды

широко используются тепловые насосы (тепловой насос нагревает квартиру, а охлаждает

почву или водоём вокруг себя снаружи дома). В жилых домах США работают уже сотни

тысяч тепловых насосов.

Стоимость услуг ЖКХ в США относительно невелика: 1 кВт электроэнергии – 10-15

центов (в разных штатах по-разному), 1 м3 воды - 35-55 центов (при этом в США 70% воды

потребляет сельское хозяйство, 25% - промышленность и только 5% идет на коммунальные

нужды), 1000 м3 газа – $100 (газ сильно подешевел из-за «сланцевой революции») (для

сравнения: стоимость бензина - $1/литр); а вот тарифов на тепло и горячую воду, как уже

отмечалось, нет - их КК получает «от себя» по себестоимости. Итого для двухкомнатной

квартиры - $150.

ПРЕИМУЩЕСТВА Коммунальных Кластеров:

1) Это крупное хозяйство и туда можно привлечь опытных менеджеров (разве такие

придут, если под их началом будут всего 30 квартир, их полномочия будут заканчиваться на

110

крыльце подъезда, а за исправность всех подводящих коммуникаций вокруг дома будет

отвечать 10 разных ведомств?);

2) Там есть реальная возможность избавиться от внешнего сверхдорогого источника

тепла и горячей воды, превратив допотопную районную котельную во что-то более

совершенное или заменив её современными локальными источниками тепла. (И, аналогично,

если украинские ОСМД будут по-прежнему покупать дорогое тепло у теплосетей – они

всегда будут убыточны, а обещанные им госдотации будут фактически тратиться на

поддержку неэффективной теплогенерации, а не на развитие ОСМД);

3) Там большие финансовые обороты (плюс недвижимость с территорией), и можно

будет получать долгосрочные кредиты под небольшие проценты;

4) Там большие потоки тепла, газа, воды, электричества, отходов – есть где развернуться

в деле энерго-ресурсо-сбережения (а в «одиночном» ОСМД энергосберегающие технологии

не окупятся, т.к. потоки энергоносителей очень малы);

5) Там проще организовать раздельный сбор бытовых отходов, превратив это в доход;

6) Там будет возможность создать единую культурно-парковую зону отдыха для жителей

КК.

В СНГ основой подобного «Коммунального Кластера» (или «макро-ОСМД») могла бы

стать районная коммунальная котельная и те 20-40 домов (вместе с их территорией), которые

она снабжает теплом и горячей водой, плюс все наружные (в пределах территории КК) и

внутренние сети и коммуникации. Массовое внедрение укрупненных Коммунальных

Кластеров в СНГ приведет к тому, что ЖКХ перейдет на рыночные принципы, а

конкуренция за право быть поставщиком услуг для КК сильно поднимет качество жилищно-

коммунальных услуг и опустит их цены.

111

9. Экологичная ядерная энергетика как альтернатива

ископаемым углеводородам

Ядерную энергию нельзя отнести ни к возобновляемым (залежи природного «рудного»

урана-235, во-первых, небесконечны, во-вторых, ядерного топлива в нем - т.е. урана-233 –

лишь доли процента), ни к полностью экологическим видам энергии. Ведь, хотя атомные

электростанции не дают эмиссию парниковых газов, их радиоактивные топливные отходы

(отработанное ядерное топливо – «ОЯТ») потенциально опасны для окружающей среды и

здоровья человека – их чудовищная радиоактивность сохраняется тысячи лет. Кроме того,

очень опасно сохранять ОЯТ внутри АЭС почти рядом с ядерными реакторами, особенно в

открытых водных бассейнах, как это зачастую имеет место в настоящее время. Так, сейчас

около 65 тысяч тонн ОЯТ хранится на территории американских АЭС в охлаждаемых водой

бассейнах для отработанного топлива рядом с реакторами (после длительного там

пребывания для сброса пиковой радиоактивности - они будут уже навсегда захоронены в

подземных хранилищах). Полное количество ОЯТ на предприятиях ядерного комплекса

России составляет объем более 600 миллионов кубических метров с активностью более 1020

Бк. Представляют опасность (но в меньшей степени) низкорадиоактивные отходы

обогащения урана («обеднённый уран») в местах его добычи (но если ОЯТ исчисляются

десятками тысяч тонн, то «урановая порода» - миллионами тонн). Кроме того, атомная

электростанция в случае серьезного технического сбоя (как это было на Чернобыльской

АЭС) или природного катаклизма (как это было на Фукусиме), или террористического акта -

может стать очень опасной для населения нескольких стран сразу, так как такая авария

приводит к массовым выбросам в атмосферу (а из нее – в водоемы) таких долгоживущих

радиоизотопов как стронций-90 (период полураспада – 29 лет), цезий-137 (период

полураспада – 30 лет). Но главную проблему представляют долгоживущие продукты

деления, такие как технеций-99 (период полураспада – 210 тысяч лет), и иод-129 (17

миллионов лет), представляющие наибольшую опасность с точки зрения радиоактивного

заражения местности.

Однако, необходимость в атомных электростанциях для удовлетворения растущей

мировой потребности в электроэнергии очевидна; кроме того, необходимость в

дополнительной электроэнергии неизбежно возникнет во время перехода к массовому

использованию электромобилей (для постоянной зарядки большого количества

автомобильных аккумуляторных батарей или для производства большого количества

водорода водным электролизом).

Поэтому основные пути к «позеленению» будущих ядерных технологий следующие:

1) Перестать использовать обогащенный уран-238 в качестве топлива, перейти на

необогащенный (или на обеднённый) уран, а еще лучше - на неопасный торий;

2) Использовать («дожигать») высокорадиоактивные отходы отработанного ядерного

топлива (ОЯТ) до их минимальной радиоактивности;

3) Перейти к энергетике ядерного синтеза (дейтериевой энергетике).

9.1. Ядерные технологии на быстрых нейтронах

Новейшие ядерные станции будут использовать технологии «высокого размножения»,

трансмутаций, а также технологию «бегущей волны» (на быстрых нейтронах) – в отличие от

нынешних, которые на тепловых нейтронах. Такие реакторы-бридеры охлаждаются при

помощи жидкого натрия, который, в отличие от воды, не тормозит возникаемые при каждом

112

процессе распада нейтроны. Быстрые частицы не очень хорошо пригодны для распада урана-

235 - наиболее распространенного топлива. Однако плутоний-239, который находится в

догоревших топливных элементах реакторов на легкой воде, распадается из-за этих быстрых

частиц. То есть реакторы-размножители могут использовать отходы других АЭС. Реакторы-

размножители способны на еще большее - в зоне воспроизводства при помощи плутония-239

вырабатывается новое топливо из нераспадаемых частиц урана-238. Природный уран на

99,3% состоит именно из этого «бесполезного» изотопа. Производимый таким образом

плутоний может использоваться в реакторах-размножителях и реакторах на легкой воде.

Последовательное использование урана-238 в качестве топлива увеличит значение запасов

урана в 60 раз. Т.е. эти технологии позволяют использовать в качестве топлива как

необогащенный (и даже обедненный) уран, так и ядерные топливные отходы от

традиционных атомных электростанций. Эти технологии интересны еще из-за их

способности перерабатывать избыточный оружейный плутоний, что важно для контроля над

распространением ядерного оружия. В результате использования упомянутых технологий не

только можно будет сэкономить до 25% природных запасов урана, но средняя глубина

выгорания ядерного топлива станет в несколько раз больше, а накопление опасных изотопов

трансурановых элементов в его шлаке будет в несколько тысячи раз меньше (см. рис. 9.1).

Рис. 9.1. Схема технологии трансмутации

Как видно из рис. 9.1, изотоп технеций-99 имеет огромный период полураспада – 210.000

лет. При работе традиционной АЭС он попадает в ядерные отходы и на тысячи лет делает их

высокоопасными для человечества (пока весь технеций не превратится в безопасный

рутений). Если же облучить Тс-99 потоком быстрых нейтронов (что будет иметь место в

новейшем ядерном реакторе с встроенным ускорителем нейтронов), происходит реакция [Tc-

99 + n = Tc-100], т.е. изотоп Тс-99 «мутирует» в новый изотоп – Тс-100, период полураспада

которого – всего-то 16 секунд! И поэтому отходы топлива из такого реактора будут сразу

малоопасны. Это позволит значительно снизить требования к хранилищам отходов и в сотни

раз удешевить их строительство и эксплуатацию. При эксплуатации «быстрого реактора»

ядерная катастрофа, подобная чернобыльской или фукусимской, полностью исключена.

Сейчас на базе упомянутых технологий создается серия ядерных мини-ракторов.

Например, Hyperion Power Generation Company (США) разработала компактный «Hyperion

Power Module» (мощность 25 МВт, цена $25 миллионов) (см. рис. 9.2). Кроме того, компания

TerraPower (США) создала ядерный быстрый реактор «бегущей волны» “TWR”, который

113

Рис. 9.2. Hyperion Power Module

использует обедненный уран и в состоянии работать в течение 100 лет без топливной

перезагрузки. Подобный, но ультракомпактный реактор “4S” (10 МВт) уже разработан

компанией Toshiba (Япония), срок работы которого составляет 30 лет без топливной

перезагрузки. Теперь TerraPower, Toshiba, и глава Microsoft Билл Гейтс (как частный

инвестор) совместно создадут суперсовременный ядерный мини-реактор. Широкое

использование больших и особенно мини-ядерных реакторов на основе современных

технологий приведет к огромной экономии ископаемого уранового топлива и к большому

облегчению проблем (и с их радиоактивностью, и с их количеством) как

высокорадиоактивных топливных ядерных отходов, так и отходов обогащения урановой

руды.

9.2. Торий-урановый цикл

Также сейчас активно идёт работа над безопасными ядерными реакторами с

"подкритичными" характеристиками, работающими не на традиционном опасном "уран-

плутониевом" цикле (U-238→Pu-239), а на значительно более безопасном "торий-урановом"

цикле, т.е. на торие-232 (из тория-232 уже непосредственно в реакторе получают

"вторичное" ядерное топливо - уран-233). Это так наз. "ядерная релятивистская ториевая

энергетика" (ЯРТЭ). Как и всякий четно-четный изотоп (четное число протонов и

нейтронов), торий-232 не способен выделять при делении быстрые нейтроны. Но при

облучении его мощным пучком быстрых протонов с энергией 10-50 ГэВ с торием

происходит трансформация: Th232

+n→Th233

→Pa233

→ U233

. А уран-233, как известно -

хорошее ядерное горючее, поддерживающее цепное деление, т.к. при делении его ядра на

один "затраченный" нейтрон выделяется 2,37 новых (тепловых) нейтронов. Возможность

реализации ториевых топливных циклов изучается уже больше 30 лет. Например,

американский реактор Fort-St-Vrain был коммерческим реактором, работавшим на ториевом

топливе. Этот высокотемпературный реактор (1300°С) с графитовым замедлителем и

гелиевым охлаждением имел мощность 842 МВт и проработал с 1976 по 1989 годы. В нем

было использовано почти 25 тонн тория, глубина выгорания которого составила 170 тысяч

МВт-суток на тонну топлива (на уран-плутониевых реакторах, в том числе на всех

украинских, средняя глубина выгорания ядерного топлива в четыре раза меньше, что

означает в четыре раза меньшую эффективность его использования и в десятки раз большую

радиоактивность отходов). За время эксплуатации уран-ториевого реактора в нем

нарабатывается в 10 тысяч раз меньшее количество изотопов трансурановых элементов, чем

в аналогичном по мощности уран-плутониевом реакторе. Это о6стоятсльство очень

существенно, оно переводит проблему обращения с радиоактивными отходами в

относительно безопасную и экономически "неразорительную" область.

114

9.3. Реакции ядерного синтеза

Термоядерный синтез – это реакция между «тяжелым водородом» дейтерием

(стабильный изотоп водорода) и «сверхтяжелым водородом» тритием (нестабильный изотоп

водорода): [Д + Т = Не + n + 17,6 МэВ]. Основной метод получения дейтерия -

многоступенчатый электролиз воды. При электролизе ста литров воды выделяется 7,5 мл

60%-ного D2O. Мировое производство дейтерия составляет десятки тысяч тонн в год.

Промышленный тритий получают облучением лития-6 нейтронами в ускорителях по

следующей реакции: [Li + n = T + He].

В отличие от ядерной, термоядерная энергия не таит радиационной угрозы и не

производит радиоактивных отходов. Кроме того, этот источник энергии можно считать

неисчерпаемым: дейтерий, получаемый из природный водоемов реально неисчерпаем; литий

теоретически исчерпаем, но, во-первых, это не единственный источник трития, а во-вторых –

и это главное - энергия термоядерной реакции (если заставить ее протекать медленно и

управляемо!) столь огромна, что несколько граммов ее компонентов заменяют десятки тысяч

тонн угля или нефти. Например, 10 г дейтерия, которые можно получить из 500 л воды, и 15

г трития, которые могут быть получены из 30 г лития-6 – достаточны, чтобы, будучи

задействоваными в термоядерном синтезе, обеспечить потребности в энергии одного

человека на всю его жизнь (т.е. 1 г дейтерия может заменить 25-30 тыс. тонн угля).

Реакция [3Не + D →p +

4Не] имеет ряд преимуществ по сравнению с вышеописанной и

наиболее достижимой в земных условиях дейтериево-тритиевой реакцией [T + D → 4Не + n].

К этим преимуществам относятся:

1. В десятки раз более низкий поток нейтронов из зоны реакции, что резко уменьшает

наведённую радиоактивность и деградацию конструкционных материалов реактора;

2. Получаемые протоны, в отличие от нейтронов, легко улавливаются и могут быть

использованы для дополнительной генерации электроэнергии, например, в МГД-

генераторе;

3. Исходные материалы для синтеза неактивны и их хранение не требует особых мер

предосторожности;

4. При аварии реактора с разгерметизацией активной зоны радиоактивность выброса

близка к нулю.

Гелий-3 не добывается из природных источников, а создаётся искусственно, при

распаде трития. Последний производился для термоядерного оружия путём облучения

бора-10 и лития-6 в ядерных реакторах. Огромное количество гелия зарождается на

Солнце, но лишь малую его долю составляет гелий-3, а основную массу – гораздо более

часто встречающийся гелий-4. Пока данные изотопы движутся в составе «солнечного

ветра» к Земле, оба изотопа претерпевают изменения. Столь драгоценный для землян

гелий-3 не достигает нашей планеты, так как он отбрасывается прочь магнитным полем

Земли. В то же время на Луне магнитное поле отсутствует и здесь гелий-3 может

свободно накапливаться в поверхностном слое грунта. По оценкам специалистов

минимальный объем гелия-3 на Луне составляется около 500 тысяч тонн. По оценкам

специалистов, стоимость добычи на Луне и транспортировки на Землю 25 тонн гелия-3

обойдется нам в 25 млрд. долларов, что не такая уж и большая сумма, если учесть, что

такого масштаба топлива хватит для того, чтобы обеспечить землян энергией на целый

115

год. Выгода от такого энергоносителя становится очевидной, если подсчитать, что только

США в год на энергоносители расходуют порядка 40 млрд. долларов.

Конечно, до «термоядерной электростанции» пока еще не близко – главная проблема:

как разогреть смесь дейтерий-тритий до несколько миллионов градусов (а смесь гелий-3-

тритий и вовсе до миллиарда градусов!) и затем удержать полученную

высокотемпературную и высокоионизированную плазму в сжатом виде, преодолевая

электрические силы отталкивание протонов («кулоновский барьер»)?

Однако в последние годы в решении термоядерной проблемы появился и некоторый

«просвет» в виде успехов в направлении, называемом «холодный ядерный синтез» (ХЯС)

или, более точно, - низкоэнергетические ядерные реакции (Low Energy Nuclear Reactions -

LENR).

В соответствие с теорией LENR, нужно не нагревать систему дейтерий-тритий до

миллиона градусов, а наоборот - охладить, а затем с помощью наведенного мощного поля

сориентировать реагирующие частицы строго определённым образом, чтобы реакция

«проскочила» под кулоновским барьером. Вместо «холодного ядерного синтеза»

в классическом понимании тут имеет место бета-распад, идущий в соответствии с теорией

Видома-Ларсена. В соответствие с ней экзотические электроны, называемые «тяжёлыми

поверхностными плазмонными поляритонами», объединяются с протонами, образуя

нейтроны с очень низким импульсом. Эти нейтроны могут проникнуть в ядра атомов,

например, никеля (или другого металла), чтобы произвести ядерное превращение

с выделением энергии: 28

Ni + (p++β

- = 1n

o) =

29Cu + Q (кДж). Сторонники этой теории

утверждают, что описанная реакция – вовсе не ядерный синтез, а только лишь захват

нейтронов, и она не нарушает законов физики. Но суть в любом случае проста — некий

механизм позволяет в конечном счёте протону «обойти» кулоновский барьер, чтобы

проникнуть в ядро атома и создать другой химический элемент. Т.е., фактичeски, теория

Видома-Ларсена есть не что иное как одна из форм реакции холодного синтеза с

трансмутацией элементов в более тяжёлые с большим избыточным выделением энергии по

сравнению с затраченной для запуска процесса слияния.

В 2013 г. два итальянский физика – Фокарди и Росси – продемонстрировали реактор,

который вырабатывал энергия путём «холодного» превращения никеля в медь. Возможный

механизм синтеза в реакторе Фокарди-Росси предусматривает следующее (см. рис. 9.3). На

короткое время некоторые атомы водорода, оказываясь внутри кристаллической решётки

металла, наполненной электронами проводимости, могут переходить в неустойчивое

состояние. В силу принципа неопределённости Гейзенберга может получиться, что на 10-18

секунды «радиус атома» и длина волны де Бройля его электрона сократятся и ядро водорода

получит статистически отличный от нуля шанс соединиться с ядром никеля, преодолев

кулоновское отталкивание. Указанного выше времени вполне достаточно для протекания

ядерной реакции. Расход водорода и никеля в новой установке составляет соответственно

0,01 грамма и 0,1 грамма на 10 кВт-ч. И хотя международное сообщество ученых-физиков

отнеслось к этим экспериментам скептически (вполне обоснованно!), идея «холодного

термояда» без громкого афиширования разрабатывается ныне в хорошо оснащенных

лабораториях нескольких стран. Уж слишком заманчиво решить раз и навсегда

энергетические проблемы человечества!

116

Рис. 9.3. Возможный механизм ядерного синтеза в реакторе Фокарди-Росси

117

10. Экономика энергосбережения

10.1. Энергоаудит

Промышленные предприятия являются крупнейшими потребителями энергоресурсов:

на их долю приходится до 50% энергопотребления в стране. Средний коэффициент

использования энергоресурсов в промышленности составляет около 30%. Это

свидетельствует о большом потенциале энергосбережения. Поэтому и программы

энергосбережения следует разрабатывать для каждого предприятия. Данные программы

необходимо составлять на 4-5 лет с разбивкой мероприятий по годам. В конце каждого года

на основании анализа работ по энергосбережению в прошедшем году корректируется

программа на будущий год.

На крупных предприятиях, имеющих своих специалистов по энергосбережению,

программы энергоаудита составляются собственными силами, с привлечением экспертов из

региональных центров энергосбережения. На мелких и средних предприятиях программы

энергоаудита разрабатываются специалистами из региональных или республиканских

центров энергосбережения. Эти программы должны иметь несколько этапов.

10.1.1. Оценка потенциала энергосбережения. На данном этапе проводится

детальное обследование энергопотребления всех крупных потребителей энергии, цехов и

всего предприятия минимум за 5 лет, предшествующих обследуемому году. Данные

обрабатываются на компьютере, и строятся математические модели энергопотребления.

Последние необходимы для учета зависимости энергопотребления от производительности,

температуры, качества сырья и т.д.

По результатам обработки результатов обследования создаются базы данных,

включающие следующую информацию:

- потребление основных энергоресурсов (топлива, электроэнергии, теплоты и воды)

как абсолютное, так и удельное, отнесенное на единицу основных видов продукции;

- потребление основных энергоресурсов по аналогичным установкам, цехам и

предприятиям данной отрасли промышленности, например, в Германии или США

(помогает установить положение с расходами энергоресурсов на анализируемом

предприятии: хорошее, среднее, плохое, очень плохое);

- потенциал энергосбережения, выраженный в натуральном (кВт ч, ГДж) и денежном

исчислении;

- основные пути снижения расходов энергоресурсов на аналогичных отечественных и

зарубежных предприятиях (способы достижения, величины затрат, сроки окупаемости и т.

д.).

Часто контрольное обследование дает возможность выявить резервы получения

немедленной экономии энергии (например неправильная эксплуатация электрического

освещения, низкая загрузка оборудования, большие тепловые и электрические потери и т. д.).

В большинстве случаев данные контрольного обследования необходимы для

выработки стратегии экономии энергии. Они позволяют составить детальные

энергосберегающие «карты» каждого технологического процесса, цеха, наконец -

предприятия в целом, на основании которых можно оценить, соответствуют ли

технологические процессы данного предприятия уровню передовых стран по удельным

118

расходам энергии, и наметить необходимые изменения в технологии и конструкции

потребителей энергоресурсов.

10.1.2. Организация учета потребления энергоресурсов. Исследования показывают,

что правильная организация учета энергопотребления позволяет экономить до 10%

энергоресурсов без дополнительных мероприятий. Наилучший результат достигается при

организации на предприятии энергоцентра, который содержит центральный компьютер с

соответствующим программным обеспечением, сеть передачи данных об энергопотреблении

и первичные приборы (счетчики и датчики). В зависимости от масштабов предприятия и

величины энергопотребления должны подбираться указанные элементы энергоцентра. Так,

для крупных предприятий (металлургических, химических, автомобильных) экономически

целесообразно создание сложных и дорогостоящих энергоцентров. Для небольших

предприятий подойдет один компьютер с простым программным обеспечением.

Таким образом, организация контроля за потреблением энергоресурсов является

важнейшим шагом к их рациональному управлению путем:

- выявления внутри предприятия цехов и участков, перерасходующих энергоресурсы;

- детальной проверки счетов, выставляемых предприятию энергоснабжающими

организациями;

- выявления наиболее энергетически эффективных режимов работы оборудования и

поддержания этих режимов в течение как можно большего отрезка времени;

- строгой количественной оценки эффективности различных энергосберегающих

мероприятий в натуральном (ГДж, кВт ч и т.п.) и денежном выражении.

10.1.3. Разработка и внедрение мероприятий по сокращению потребления

теплоэнергоресурсов (ТЭР). Несмотря на различия в конструкциях промышленных

установок и способах их эксплуатации, потенциальные возможности энергосбережения в них

сходны. Они могут быть сгруппированы в следующие категории:

1) стратегия эксплуатации и технического обслуживания;

2) стратегия модернизации оборудования и технологических процессов;

3) стратегия замены существующего оборудования на новое менее энергоемкое и

внедрение новых технологий.

Последовательность, в которой расположены эти категории, соответствует

возрастанию требуемых капиталовложений и сроков реализации этих мероприятий. Как уже

отмечалось, прежде всего необходимо оценить потенциал энергосбережения. Определив

потенциал энергосбережения, можно определить сумму, которую предприятию выгодно

истратить на внедрение мероприятий по энергосбережению. Исходя из этого

разрабатывается программа энергосбережения. При составлении программы реализации

мероприятий по энергосбережению следует учитывать следующие аспекты. Во-первых,

сначала должны реализовываться мероприятия первой категории, так называемые

организационно - технические мероприятия, которые в большинстве своем не требуют

финансовых затрат. Это, в основном, повышение уровня технического обслуживания и

ремонта оборудования. Во-вторых, проработка финансового обеспечения программы

(средства предприятия, банковский кредит, кредит под будущую экономию энергоресурсов,

частичное финансирование из фондов региональных и государственных программ

энергосбережения, финансовая помощь от международных организаций и т. д.). В-третьих,

119

контроль результативности выполнения программы. Например, за исходное состояние

принимается текущее энергопотребление предприятия до начала выполнения программы

энергосбережения. Затем исходя из анализа существующих возможностей устанавливаются

контрольные цифры по сокращению энергопотребления на конец каждого из этапов

выполнения программы энергосбережения. Важным аспектом реализации программы

является проблема мотивации персонала предприятий на ее выполнение. Информация о

программе энергосбережения должна быть в доступной форме доведена до всех

участвующих в ней исполнителей. Все исполнители программы должны знать, что получат

реальное вознаграждение при реализации ее этапов.

При разработке мероприятий по энергосбережению на промпредприятии необходимо

помнить, что имеются следующие направления экономии:

1) экономия ТЭР путем совершенствования энергоснабжения;

2) экономия ТЭР путем совершенствования энергоиспользования;

Типичный отчёт по энергоаудиту состоит из трёх основных разделов:

Описание завода и зданий

Существующие установки и оборудование.

Режим работы оборудования.

Оценка эффективности производства.

План проведения энергоаудита

Измерение потребления энергии.

Анализ информации в табличной и графической формах.

Комментарии по количеству и стоимости потреблённой энергии.

Рекомендации по энергосбережению

Общее описание предложенных рекомендаций.

Объяснение того, как предложенные действия помогут сэкономить энергию.

Технико-экономическая оценка предложенных рекомендаций.

10.2. Разработка Программы энергосбережения.

Разработка Программы энергосбережения должна включать расчет экономической

эффективности по следующим показателям:

- объем необходимых затрат на выполнение мероприятий Программы;

- суммарная экономия электрической энергии (в натуральных и стоимостных показателях);

- суммарная экономия тепловой энергии (в натуральных и стоимостных показателях);

- суммарная экономия воды (в натуральных и стоимостных показателях);

- суммарная экономия природного газа (в натуральных и стоимостных показателях);

- суммарное сокращение вредных выбросов, загрязняющих окружающую среду (в

натуральных и стоимостных показателях);

- экономический эффект реализации мероприятий Программы;

- сроки окупаемости реализации Программы.

120

10.3. Методика оценки экономической эффективности мероприятий по

энергосбережению Для принятия решения об эффективности энергосбережения необходимо выбрать

метод оценки и критерий эффективности. Указанная оценка может проводиться различными

способами: на основе расчета срока окупаемости или предельных экономически допустимых

капиталовложений в энергосберегающие мероприятия, определения получаемой за счет их

осуществления экономии затрат, прибыли, рентабельности и т.д. Для оценки технико-

экономической эффективности проекта часто используeтся критерий – миниминизация

срока окупаемости затрат.

Оценку эффективности по сроку окупаемости капиталовложений в

энергосберегающие мероприятия рассмотрим несколько подробнее. Срок окупаемости

выражается зависимостью

К

Д min.

Здесь К - капиталовложения в энергосберегающие мероприятия; Д - экономический

эффект (прирост дохода) от осуществления мероприятий:

Д = Дэ+ Дсоп - Ик - Иэкс+ Нэ,

где Дэ - достигаемая экономия затрат по расходуемому энергоресурсу;

Дсоп - экономия, сопутствующая снижению расхода энергоресурса (транспортные

системы, склады, снижение влияния на окружающую среду);

Ик - дополнительные издержки производства, обусловленные новыми капитальными

вложениями; Иэкс - прирост затрат в эксплуатации в связи с внедрением

энергосберегающего мероприятия; Нэ - выигрыш (потери), связанный с

налогообложением, банковским процентом по ссудам и др. в зависимости от уровня

энергосбережения.

Возможен и другой метод определения эффективности энергосбережения. Он основан

на оценке средней стоимости сэкономленной единицы энергии по данному энергоресурсу

в сопоставлении с периодом до внедрения энергосберегающих мероприятий:

SS

ЭSэ

нэд

,

где S - изменение суммарных затрат на потребление энергоресурса (топливо,

электроэнергия, теплота), определяемое его экономией; Э - количество сэкономленного

энергоресурса; S Sэн

эд, - стоимость потребляемого энергоресурса после внедрения

энергосберегающего мероприятия (новая) и действующая (до внедрения).

121

При внедрении новой энергосберегающей и безотходной технологии,

обеспечивающей снижение энергопотребления или замену одного энергоресурса другим,

оценку эффективности целесообразно строить на показателях рентабельности:

н

н

н д

н н н

П

К

П П К Кее

mn

m

max;

; ,

где д - рентабельность вытесняемых технологических процессов и установок; Пен

-

прибыль, получаемая от е-го вида продукции или результата внедрения. Она оценивается не

только энергетической, но и другими составляющими затрат и результатов; Кmn

-

капиталовложения в m-й элемент технологической системы, характеризующий не только

снижение энергоемкости, но и утилизацию отходов, использование других ресурсов, в

комплексе обеспечивающих снижение энергоемкости.

В некоторых случаях удобно решать вопрос о целесообразности осуществления

энергосберегающих мероприятий путем определения предельных экономически

допустимых (полных или удельных) капиталовложений (Кпред

) в мероприятия, указанная

величина определяется из условия равенства приведенных затрат на осуществление

энергосберегающего мероприятия и стоимости сэкономленных энергоресурсов (по ценам на

них). В общем случае, когда мероприятия сопровождаются соответствующим ростом

эксплуатационных расходов, в левой части следующего равенства записываются

приведенные затраты:

( )Е И К Знпред

эн ,

где Ен - нормативный коэффициент эффективности; И - ежегодные издержки; Зэн -

стоимость сэкономленной энергии (по ценам на топливо и тарифам на электро- и

теплоэнергию) в расчетном году;

КЗ

Е И

пред эн

н

.

Для многих мероприятий отсутствуют дополнительные издержки, связанные с

созданием и поддержанием оборудования в нормальном эксплуатационном состоянии и

рассчитываемые через нормы амортизационных отчислений. В этом случае в данной

формуле вместо ежегодных издержек эксплуатации принимается ежегодная норма

амортизационных отчислений.

При определении по удельных допустимых капитальных вложений в правой части

зависимости выступает удельная экономия энергии, а в левой части - ежегодная норма

издержек эксплуатации.

При замене устаревшего оборудования более экономичным затраты на амортизацию

определяются только на дополнительную стоимость оборудования и при небольшом отличии

122

могут не учитываться.

Если в результате внедрения мероприятий экономится несколько видов топлива и

энергии, предельная величина экономически допустимых капиталовложений рассчитывается

по формуле

К

З

Е

i iiпред

н

,

где i - доля i-го энергоносителя в суммарной экономии.

Обоснование мероприятий технологического характера должно производиться с

учетом всех затрат на их осуществление и получаемых в результате этого эффектов

(увеличение производства вследствие повышения производительности установки).

Для определения годовой экономии затрат от энергосбережения (Sгод) выражение

(11) может быть преобразовано следующим образом:

Sгод=ЭгодЦ + Дсоп - (И+ЕнК),

где Эгод - годовой объем экономии топлива или энергии; Ц - цена единицы топлива по

видам или тариф на электрическую и тепловую энергию; Дсоп - неэнергетический

сопутствующий эффект; И - изменение текущих издержек эксплуатации без учета

топливной составляющей при внедрении мероприятий по экономии ТЭР.

Для малокапиталоемких мероприятий по энергосбережению (организационно-

технических) расчет экономической эффективности энергосбережения выполняется по

упрощенной формуле:

Sгод=ЭгодЦ + Дсоп.

При оценке эффективности замены высококачественного топлива другими видами

(газ на уголь, дизельное топливо - электроэнергией и т.д.) величина Ц в изменяется на

Ц=Цз-Ц

в (Ц

з - цена замещаемого вида ТЭР, Ц

в - цена высвобождаемого вида

теплоэнергоресурсов (ТЭР).

123

Заключение: Третья Промышленная Революция

В первой половине XIX века четверть ВВП США обеспечивалась производством

китового жира. Он был тогда единственным жидким горючим и, например, играл огромную

роль при освещении помещений. Спустя всего десять лет эта отрасль экономики была

буквально стёрта с лица Земли, поскольку появились нефтепродукты. И возможно, уже через

50 лет наши внуки будут удивляться, насколько же мы были глупы, что сжигали нефть…

Экспертное сообщество всё отчетливее осознаёт, что дальнейшее развитие цивилизации

по исторически сложившемуся пути невозможно, так как ныне появились новые глобальные

проблемы, угрожающие существованию этой цивилизации. Впервые в истории человечества

сдвинулись со стационарных уровней важнейшие показатели состояния биосферы. К таким

показателям можно отнести: резкое ухудшение качества воздуха и воды; глобальное

потепление; истощение озонового слоя; уменьшение биоразнообразия; достижение предела

пищевых, сырьевых и энергетических возможностей биосферы; утрату нравственных

ориентиров значительной частью человеческого сообщества (так называемый «феномен

аморального большинства»).

Памятник нашему поколению будет выглядеть, видимо, так: посреди огромного

шламового отвала стоит величественная бронзовая фигура в противогазе, а внизу на

гранитном постаменте надпись: «Мы победили природу!».

Первая промышленная революция на базе угля и Вторая промышленная революция на

базе нефти и газа фундаментально изменили жизнь и труд человечества и преобразили

облик планеты. Однако эти две революции привели человечество к пределу развития. Среди

главных вызовов, которые брошены человечеству — истощение биоресурсов и

невозобновляемых источников энергии и проблемы экологии (загрязненные воздух, вода,

пища, глобальное потепление и др.). И на эти вызовы человечество должно ответить

Третьей Промышленной Революцией. «Третья промышленная революция» (Third

Industrial Revolution - TIR) - это концепт развития человечества, авторами которого являются

американцы: ученый-экономист и эколог Джереми Рифкин (Jeremy Rifkin) и футуролог Рэй

Курцвейл (Raymond Kurzweil). Также, автор данной книги позволил себе несколько

дополнить и расширить данный концепт.

Вот основные положения концепции TIR («Рифкин-Курцвейл-Краснянский»):

1) Переход на возобновляемые источники энергии – солнце, ветер, естественные водные

потоки (WWS – wind, water, sunlight), геотермальные воды, в отдаленном будущем – высоко-

или низко-энергетический ядерный синтез. (Кроме того, на газовом рынке, после

«сланцевой», грядет еще более радикальная «метангидратная революция».

2) Превращение существующих и новых зданий (как промышленных, так и жилых) в

минизаводы по производству энергии (за счет оборудования их солнечными батареями,

мини-ветряками, теплонасосами, утилизаторами тепла и т.д.). Такие дома не будут

нуждаться во «внешней» энергии (так наз. «нулевой дом» - «zero house»). Например, в

Евросоюзе имеется около 200 млн зданий. Каждое из них может стать маленькой

электростанцией, черпающей энергию из крыш, стен, тепла выходящих вентиляционных и

канализационных потоков, мусора. Третья промреволюция для жилых и промышленных

помещений — это мириады малых источников энергии от ветра, солнца, воды, геотермии,

тепловых насосов, биомассы и т.д. (Правда, управлять перетоками энергии в таких сетях

станет намного сложнее).

3) Развитие и внедрение технологий энерго-ресурсо-сбережения (как

производственного, так и жилого секторов) - полная утилизация остаточных потоков и

124

потерь электроэнергии, пара, газа, воды, любого тепла, пищевых потоков, полная

утилизация промышленных и бытовых отходов и др. Главное, нужно понимать, что затраты

на экономию одного мегаватта энергии или одной тонны продуктов питания – в десятки раз

меньше, чем для их нового производства и транспортировки!

4) Перевод всего автотранспорта (легкового и грузового) на электротягу (топливные

элементы на «связанном» водороде или мощный блок сверхъёмких электроаккумуляторов с

быстрой перезарядкой (при этом электродвигатель будет встроен прямо в автомобильное

колесо). Перевод авиатранспорта на «гибридную» тягу (топливо – жидкость или сжиженный

газ - плюс блок сверхъёмких аккумуляторов), что уменьшит расход топлива и уровень шума

авиалайнеров на 50%. Развитие скоростного и сверхскоростного (св. 1000 км/час - в

«вакуумной трубе») общественного пассажирского транспорта. Развитие новых

экономичных видов грузового транспорта, таких как большие дирижабли (до 200 тонн

полезного груза), подземный пневмотранспорт и др.

5) Переход от промышленного к локальному и даже «домашнему» производству

большинства бытовых товаров благодаря развитию технологии 3D-принтеров. 3D-принтеры

позволяют создавать по введенной в память цифровой трехмерной модели практически всё,

что угодно. По расчётам экономистов из Мичиганского университета, «домашний» 3D-

принтер обеспечивает возврат инвестиций от 40% до 200% за год – так что производство

бытовых товаров ожидает «3D-революция»; также ожидается коренное реформирование

строительной, кухонной и др. индустрий.

6) Замена традиционного машиностроения технологиями 3D-печати на основе

селективной лазерной плавки (SLM – Selective Laser Melting) или метода прямого

металлического лазерного спекания (Direct Metal Laser Sintering - DMLS) (сырье -

металлические порошки); эти технологии обеспечивают высокую точность изготовления –

до 20 микрон, и не требуют дальнейшей обработки изделий, а изготовление сложнейших

деталей по 3D-технологиям сокращает длительность и стоимость процесса в десятки раз.

7) Переход от металлургии к композитным материалам (особенно нано-материалам) на

основе дешевых и доступных углерода и кремния. Так, новейший американский «Boeing-

787-Dreamliner» - изготовлен на 50% из композитных материалов на основе углерода

(включая фюзеляж и крылья).

8) Отказ от животноводства, переход к производству «искусственного мяса» из

мышечных клеток домашнего скота с помощью 3D-биопринтеров. Для выращивания мяса

«в пробирке» энергии потребуется впятеро меньше, воды – в 10 раз меньше (а выбросы

парниковых газов снижаются в 20 раз), чем при выращивании скота на убой (ведь для

производства 15 г животного белка нужно скормить корове 100 г растительного белка, таким

образом, кпд традиционного метода получения мяса составляет лишь 15%). Искусственный

"мясозавод" требует намного меньше земли (займет всего 1% земли по сравнению с обычной

фермой той же производительности по мясу). Кроме того, в стерильных искусственных

условиях можно получить экологически чистый продукт, без всяких токсичных металлов,

глистов, лямблий и прочих «прелестей», часто присутствующих в сыром мясе. К тому же,

искусственно выращенное мясо не нарушает этических норм: не надо будет выращивать

скот, а затем безжалостно его умерщвлять.

9) Перевод значительной части сельского хозяйства в города на базе технологии

«вертикальных ферм» («Farmskyscraper» или «Vertical Farm»). – Это такой технологический

«сельхоз-небоскреб» в 20-30 этажей без окон, расположенный в черте города и покрытый -

если это юг - солнечными панелями, на каждом этаже которого размещены многоярусные

стеллажи с гидропонными контейнерами, где и произрастают злаки или др.; урожай

125

собирается автоматически – ручной труд отсутствует; поскольку «сельхоз-небоскреб»

изолирован от внешней среды, т.е. там постоянные температура, влажность и освещенность

- там можно снимать урожай 3-4 раза в год в любом климате; из-за отсутствия паразитов

можно будет полностью отказаться от любых пестицидов.

10) Переход от традиционной «химико-таблеточной» терапии к генной терапии

(например, к "редактированию" геномов человека методом «CRISPR» - Clustered Regularly

Interspaced Short Palindromic Repeats), а также к замене больных человеческих органов

новыми, выращенными из стволовых клеток с помощью 3D-биопринтеров. Так,

американская компания Organovo научилась создавать небольшие искусственные

фрагменты печени, используя для этого 3D-биопринтер, команда учёных из Китая впервые в

истории распечатала на 3D-биопринтере работающие человеческие почки, а ученые

австралийского университета (University of Wollongong) создали мини-3D-биопринтер,

получивший название BioPen («биоручка»), который «вписывает» слои здоровых клеток

прямо в повреждённую человеческую кость.

11) Переход к «Биомиметике» - т.е. к копированию уникальных функций и

производственных процессов живых организмов. Так, немецкие ученые создали

сверхпрочный и крайне легкий композитный материал, способный выдерживать очень

высокие давления, опираясь на данные по структуре и свойствам костей человека, а команда

биоинженеров Стэнфорда недавно изобрела генетические транзисторы, из которых можно

собрать компьютер в рамках одной живой клетки; основу его составляет «биотранскриптор»,

который контролирует поток ключевого белка, «бегущего» по цепи ДНК - нетрудно

представить, каким объемом информации сможет управлять такой биокомпьютер, если всего

одна молекула ДНК хранит в себе 700 терабайт информации!

12) Создание мини-супер-компьютеров - оптических (фотонных), квантовых,

когнитивных (т.е. способных слышать, видеть, обонять, осязать, чувствовать вкус, как

человек), которые повысят скорость и объём вычислений в сотни тысяч раз. Создание

гибрида биологического (человек) и электронного (компьютер) типов мышления, тесно

сопряженных друг с другом. Переход к наноэлектронике. – (Ученые Гарварда разработали и

собрали крохотное наноэлектронное управляющее устройство «nanoFSM», с самой плотной

компоновкой из когда-либо созданных процессоров. Новое устройство, названное nanoFSM,

имеет очень низкое энергопотребление и по размеру меньше, чем человеческая нервная

клетка. Разработчики полагают, что технология nanoFSM поступит в массовое производство

через 5-10 лет, как раз ко времени, когда текущая электроника достигнет предела своего

совершенства. Переход на наноэлектронику позволит существенно снизить

энергопотребление и повысить вычислительную мощь современных электронных устройств.

Также будет открыта дорога для многих перспективных направлений, например

микророботов, имплантируемых сенсоров, нейроинтерфейсов и др.)

Откуда взять на всё это деньги, коль скоро и Европа, и Америка, и Япония тонут в

долгах? Но ведь везде ежегодно закладывается бюджет развития - каждая страна и почти

каждый город планируют его. Важно делать капиталовложения в то, у чего есть будущее, а

не в поддержание жизни таких инфраструктур, технологий, отраслей или систем, которые

обречены на вымирание.

Собственно говоря, «продвинутая часть» человечества последнее время уже активно

движется по этому пути. Хочется выразить надежду, что «всемирная TIR» случится гораздо

раньше того момента, когда человечество исчерпает все имеющиеся в природе запасы угля,

нефти, газа и урана, а заодно окончательно загубит окружающую природную среду. В конце

концов, каменный век закончился вовсе не потому, что на Земле закончились камни…

126

Список использованной литературы

М.Е. Краснянский. Экологическая безопасность территорий и акваторий. Учебное пособие,

издание 1-е - ДонНТУ, Донецк (2004). Гл. 8 «Энергосбережение – важнейшее направление

экологической и экономической безопасности Украины», с. 119-134.

М.Е. Краснянский. Утилизация и рекуперация отходов. Учебное пособие, издание 2-е - Изд.

«Бурун», Харьков-Киев (2007). Гл. 11. «Альтернативная энергетика и энергосбережение –

основа устойчивого развития человечества в XXI веке», с. 233-256.

М.Ю. Краснянський. Концепцiя проекту «Енергоефективний район» - Будiвництво України,

N. 4 (2006) с. 23-25.

М.Е. Краснянский. XXI век – век альтернативной энергетики, энергосбережения и

экологизации - Журнал «ЭПР - Энергетика. Промышленность. Регионы» (Москва), N. 1

(2006) с. 46-51.

M. Krasnyansky. Energy for Sustainable Development – International Review of Chemical

Engineering, 2, N. 4 (2010) p. 539-549.

M. Krasnyansky. Savings of power resources - 5-th International Conference on Environmental

Policies, Kiev, Ukraine, April 2-6 (2003) p. 52-55.

M. Krasnyansky. Using of secondary solar energy for creating of the non-fuel power stations - US

PTO, Provisional Patent Application, # 61019294 (Jan. 06, 2008).

M. Krasnyansky. The Floating Factory for Thermal Recycling of the Municipal Waste and Worn-

out Automobile Tires - US PTO, Provisional Patent Application, N. 6108007, (July 11, 2008).

M. Krasnyansky, O. Kalinikhin. Ecological threats for “wrong” MSW incineration. EURO-ECO,

Hannover-2006, Internationaler Kongress Fachmesse, p. 16-18.

Statistical Review of World Energy-2012 - British Petroleum (BP) Publishing-office (March, 2013).

Mark Z. Jacobson, Mark A. Delucchi. Providing all global energy with wind, water, and solar

power. - Energy Policy, 39 (2011) pp. 1154–1190

H. Scheer. The Solar Economy (Renewable Energy for a Sustainable Global Future) - James &

James Publ., NY, 2004, 386 pp.

World Wind Energy Report 2010 - World Wind Energy Association (March, 2011).

D.L. Klark. Biomass for Renewable Energy - Academic Press, NY (1998) 651 pp.

Understanding and Responding to Climate Change - United States National Academy of Sciences,

Final report (2008).

J. Yamashita, F. Kawamura, T. Mochida. Next-generation Nuclear Reactor Systems for Future

Energy - Hitachi Review, 53 (2004) p. 131–135.

S. W. Lee, N. Yabuuchi, B.M. Gallant. High-power lithium batteries from functionalized carbon-

nanotube electrodes - Nature Nanotechnology, 5 (2010) p. 146-154.

3rd International Symposium on Underground Freight Transportation by Capsule Pipelines and

Other Tube/Tunnel Systems. Bochum, Germany, Sept. 19-20 (2002) 322 pp.

N. Tesla. System of Transmission of Electrical Energy - U.S. Patent No. 645,576 (March, 1900).

J. Rifkin. The Third Industrial Revolution - Palgrave Macmillan, UK (2011) 262 pp.

УДК 620.9:502 · 2014-09-25 · Опыт ЖКХ США 108 9. Экологичная ядерная энергетика как альтернатива ископаемым...

Documents