Лекция 3. Эффективность использования энергии 3. 1.

Лекция 3. Эффективность использования энергии

3. 1. Энтропийный капкан • 1 -й закон термодинамики: выход энергии равен ее затратам; • 2 -й закон термодинамики: при превращении энергии из одного вида в другой всегда происходит снижение качества энергии, или уменьшается количество полезной энергии. Пример, когда движется автомобиль, в механическую энергию, приводящую его в движение, и электрическую энергию всех его систем превращается всего лишь около 10 получаемой при сгорании бензина энергии. Остальные 90 % в виде бесполезного тепла и вредных выбросов рассеивается в окружающей среде.

Мы практически никогда не можем восстановить или повторно использовать высококачественную энергию для выполнения полезной работы. После использования, сконцетрированная высококачественная энергия, которая содержится в литре бензина, полене дров или куске урана, рассеивается в ОС в виде низкопотеницального тепла. Мы можем вмешаться в сам процесс, например дополнительно параллельно использовать часть бесполезно теряемой энергии для нагрева воздуха или воды (так называемый вторичный энергоресурс). Но в конечном итоге речь может идти об изменении коэффициента полезного действия данного процесса.

Определяющая черта любого развивающегося общества — постоянно возрастающие масштабы использования ресурсов и энергии высокого качества. → Современные промышленные сообщества повышают энтропию ОС. Это энтропийный капкан. С каждой новой энергетической эпохой развития общества человечество обязано не только механически увеличивать потребление энергии, но и сводить к минимуму энтропию.

3. 2. Виды потерь энергии Если рассматривать промышленные предприятия как систему (рис. 3. 1), то можно установить, что, с одной стороны, имеются затраты энергии, сырья и труда, а с другой стороны — выпуск продукции, выход вторичных энергоресурсов и материалов. На практике можно ограничится выпуском продукции, а вторичную энергию и материалы можно не использовать. Это первый вид потерь энергии.

Рис. 3. 1. Схема промышленного производства

В производственном процессе может использоваться различное оборудование для реализации конкретных промышленных процессов, эффективность которых в зависимости от уровня температуры изменяется от 10 до 70 %. Это второй вид потерь энергии. КПД многих технологических процессов можно повысить за счет улучшения использования топлива на каждой стадии производства продукции, применения специальных устройств для производства энергии из вторичных энергоресурсов.

Третий вид потерь энергии. Нецелесообразное использование высококачественной энергии для выполнения тех задач, которые можно выполнить с помощью низкокачественной энергии. «Золотое» правило энергетики: качество выбираемого типа энергии должно соответствовать поставленным задачам, или чем больше количество ступеней в процессе преобразования энергии, тем ниже ее практический КПД.

Чем мощнее источник высококачественной энергии и чем дальше от него расположены потребители энергии, тем более при относительно низкой температуре требуемого для них тепла. Именно данным правилом следует руководствоваться при выборе варианта энергообеспечения объекта как промышленного, так и коммунального назначения. Отсюда вытекает несколько следствий: • концентрирование производства высококачественной энергии на крупных источниках вступает в противоречие со вторым законом термодинамики; • чем выше мощность источника энергии, тем выше его энтропийный потенциал; • любая централизация энергообеспечения (централизованные системы теплоснабжения, единая энергетическая система и т. д. ), несмотря на все преимущества, способствует росту масштабов беспорядка в окружающей среде.

• • Особенность нашего общества — масштабное и повсеместное использование устройств с громадными потерями энергии: лампы накаливания (КПД 5 %, соответственно потери энергии 95 %); машина или трактор с двигателем внутреннего сгорания (КПД 10 % от энергии, заключенной в горючем); высокотемпературная ковка металла в кузнице (КПД 12 %); строительство плохо изолированных домов, где тепло может удерживаться не более нескольких минут.

Закон сохранения вещества: по мере роста объемов и географии промышленного производства все большее количество людей возрастающими темпами будут наращивать использование ресурсов, способствовать загрязнению ОС тепловыми и вредными отходами. В результате способность ОС рассеивать и разрушать выброшенные вещества и поглощать низкотемпературное тепло будет нарушена на всех уровнях: локальном, местном и глобальном.

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

Сохранение окружающей среды и ее ресурсов снижение энтропии при обеспечении принципов с помощью которых осуществляется устойчивое развитие живых организмов в природе. Количественное увеличение энергетического бюджета каждого человека общество должно обеспечивать при все меньших удельных затрат энергии: • уменьшении затрат энергии на единицу валового внутреннего продукта; • экономном использовании тепла для промышленных нужд и отопления; • исключении применения без особой необходимости высококачественных видов энергии; • переходе к производству продукции более удобной для повторного использования и ремонта; • вовлечении в оборот возобновляемых источников энергии и др.

История развития современного общества показывает, что введение ограничений потерь энергии и ресурсов и недопущение нежелательных входных воздействий в природную среду с позиций термодинамики и экономики оказывается более оправданным подходом, чем контроль последствий и исправление случившегося. Энергетическую эффективность можно рассматривать как ресурс.

Через энергосбережение в долгосрочной перспективе наилучшим вариантом решения проблем устойчивого развития является переход к природосберегающему обществу. Основой такого общества является повышение эффективности использования энергии, переход на возобновляемые ее источники, сокращение ненужных затрат и потерь энергии, рециркуляция и вторичное использование ресурсов вещества, а также сокращение производства отходов и необязательного потребления ресурсов вещества, при разработке мер по контролю роста населения.

3. 3. Некоторые особенности энергопотребления в России В нашей стране есть ряд объективных (природных) факторов, способствующих росту удельных объемов энергопотребления. Основные из них — климатические условия, более высокие транспортные издержки.

Климатические условия можно оценить коэффициентом суровости климата (градусо-сутки отопительного периода), равным произведению разности температуры внутреннего воздуха в отапливаемом помещении (tв)и средней температуры наружного воздуха за отопительный период (tот. пер. ) на продолжительность отопительного периода (Zот. пер. ): Dd=(tв-tот. пер. ) · Zот. пер. Нормативный коэффициент суровости климата для конкретной местности (города и т. д. ) можно определить, исходя из показателей строительной климатологии, СНи. П 23 -01 -99.

По климатическим условиям удельные показатели расхода энергии на теплоснабжение, а также на некоторые виды технологических процессов (нагрев, сушка и т. п. ) примерно в 1, 5 раза выше, чем в большинстве европейских стран, и в 1, 85 раза выше, чем в США (таблица 2. 1).

Таблица 3. 1. Показатели суровости климата (применительно к жилым зданиям), градусо-суток Страна, город Коэффициент суровости климата Россия 5000 Москва 5027 Екатеринбург 6000 Верхоянск 12290 Якутск 10620 Омск 6500 Самара 5010 Астрахань 3400 Краснодар 2500 Страна Швеция США Германия Финляндия Канада Коэффициент суровости климата 4020 2700 3165 4200 5000

Таблица 3. 2. Показатели производства тепловой изоляции Страна, город Коэффициент Производство Коэффициент суровости тепловой энергетическо климата, град. изоляции й сут. м³/1000 озабоченност жителей и нации Россия Екатеринбург Швеция США 5000 6000 4020 2700 90 120 600 500 ~ 0, 11 0, 8 1, 0