Опорний конспект на тему "Енергетична ситуація і потенціал енергоефективності"

Энергетическая ситуация  и потенциал энергоэффективности.

 Энергетические ресурсы – это материальные объекты, в которых содержится энергия, пригодная для практического применения человека.

 Первичными энергоресурсами являются природные ресурсы, которые не перерабатывали и не преобразовывали: сырая нефть, уголь, природный газ, древесина, торф, вода рек, морей и океанов, гейзеры, ветер, солнце и так далее.

 Для сравнения тепловой возможности различных видов энергетических ресурсов необходимо сравнивать их скрытые теплоемкости, то есть сколько энергии приходится на единицу массы энергоресурсов.

 Для удобства расчетов и сравнения разных видов энергоресурсов в мире, использование любого вида топлива приравнивается с использованием так называемого условного топлива.

 В Украине условным топливом считается топливо при сгорании 1 килограмма которого выделяется  29,3 х 10⁶ Дж или 7000 ккал энергии. К примеру, значение скрытой энергоемкости для некоторых энергетических ресурсов в сравнении с условным топливом следующие:

 Как видно из таблицы, наивысшую энергоемкость имеют газ и нефть. Это привело к их неограниченному использованию. Однако, запасы этих полезных ископаемых в недрах Земли ограничены и, кроме этого, использование не возобновляемых источников энергии приносит большой вред природе.

 Сегодня суммарное потребление тепловой энергии в мире более 200 млрд.квт/ч в год.

 В Украине общее потребление топлива составляет 3,5% от мирового энергобаланса.

 Геологические запасы органического топлива в мире более 80% приходится на долю угля, который становится все менее популярным.

 Добыча нефти и газа к 2020 году уменьшится с 66,6% до 20%.

 Применение атомной энергетики вызывает новые проблемы:

Много жизней унесла авария на Чернобыльской АЭС во всем прилежащем к ней регионе и за его пределами.

Вторая проблема использования атомной энергетики – это хранение радиоактивных отходов.

Потребляют энергетические ресурсы не только промышленные предприятия, но и транспорт. Только в Украине транспорт потребляет миллионы тонн бензина и дизельного топлива в год.

В домашнем хозяйстве активно используются энергоемкие устройства, которые выполняют часть работы вместо человека (пылесосы, посудомоечные машины, кухонные комбайны, сушилки для белья  и так далее).

В течение года среднеобеспеченный человек потребляет энергии 2,2 тонны условного топлива, в частности:

 - в США ≈ 12 тонн условного топлива;

 - в Германии ≈ 6 тонн условного топлива;

 - в Украине ≈ 4,12 тонн условного топлива;

 - в Африке ≈ 0,1 тонн условного топлива;

Это составляет на 40% меньше минимального потребного для поддержания жизнедеятельности человека.

Резервами получения дополнительной энергии являются:

1.   Интенсивное энергосбережение.
2.   Применение энергоэффективного оборудования и технологий.
3.   Применение возобновляемых источников энергии: солнца, ветра, воды, геотермальных источников и т.д.

Энергетическая ситуация в нашем государстве зависит от каждого: от ребенка до профессионального энергетика.

    Понятие органического топлива Вам уже известно, т.е. это топливо, которое образовалось в различных слоях Земли в результате длительных биохимических процессов. На рис.1 представлена диаграмма распределения запасов основных видов органического топлива, а на рис.2 представлен уровень потребления 

Сравнение двух представленных диаграмм, дает представление - на какой период мир обеспечен запасами органических видов топлив. Так, мировые запасы угля позволят им пользоваться при такой же интенсивности протребления, как и на сегодняшний день, 350-400 лет, природного газа и нефти примерно на 60-70 лет. 

              Рассмотрим кратко характеристику топливно – энергетического комплекса Украины.

•                   Угольная промышленность- сосредоточена в основном в Донецке-Днепровском бассейне. Добыча до 80 млн.т. в год, потребность -120 млн.т.год
•                   Газодобывающая промышленность – сосредоточена,  в основном, в Харьковской и Сумской областях. Собственная добыча 19,5 млрд.м.куб. в год, потребление 68млрд.м.куб.в год
•                   Нефтедобывающая и нефтеперерабатываюшая промышленность. Собственная добыча нефти около 4,5 млн.т. в год. При этом в Украине развитые мощности по переработке нефти. Это Кременчугский и Лисичанский НПЗ с современным оборудованием, а так же небольшие предприятия Одесский, Херсонский и Дрогобыческий НПЗ.
•                   Торфяная промышленность – незначительные объемы, расположенные в основном в Волынской и Ровенской областях, используется для топливных брикетов.
•                   Атомная энергетика – производит около 52% электроэнергии. Атомные станции: Хмельницкая, Ровенская, Южно-Украинская, Запорожская,  Ладыженская. Суммарная мощность энергоблоков12,8тыс.МВт и составляет 24% от суммарной установленной электрической мощности всех энергоустановок.
•                   Гидроэнергетика – суммарная установленная мощность гидростанций 4,7млн.кВт.  В основном расположены на Днепровском каскаде, одна на р.Днестр и одна в Закарпатье.
•                   Нетрадиционная энергетика Украины мало развита и составляет в общей доле производства энергии 0,1%. Это ветровые электростанции в зоне Азово-Причерноморского бассейна и незначительное количество индивидуальных установок использования солнечной энергии в Крыму.

  Несмотря на дефицит энергоносителей, наша страна потребляет большое количество энергии на душу населения и на единицу  ВВП. По этому критерию, который является одним из основных в мировой оценке эффективности использования энергии, Украина потребляет в два раза больше, чем средне мировое значение и в 4 раза больше, чем наболее энергоэффективные страны. Этот критерий называется энергоемкость и представлен на рис. 3.     

Сравнительная таблица потребления топлива разными странами в % представлена ниже. Из таблицы видно, что органическое топливо является основным источником энергии на сегодняшний день.

А потребление на душу населения (по данным Международного энергетического агентства)  представлено в таблице ниже в т.у.т/ чел. Как видно из таблицы потребление энергии на душу населения в  Украине близко к уровню развитых стран.

Структура энергоснабжения и преобразования первичного топлива в энергию

     Нас не интересует, как потребителя энергии, топливо, как таковое. Нас интересует тепло, свет, механическая энергия.

     Рассмотрим процесс преобразования первичной энергии в полезную.

Как видно из представленной схемы, на всем протяжении преобразования  энергии имеют место потери. Снижение потерь позволяет економить энергию. Урівень возможной экономии энергии за сет снижения потер или нераціонального использования конечной энергии называется потенціалом энергосбережения.

 Потенциал энергосбережения и его виды

Потенциал энергосбережения может быть теоретическим, технически возможным или экономически целесообразным.

Пример, если из топливо сжигающего агрегата, скажем котла, выходят дымовые газы с температурой 150⁰С, а температура воздуха на улице (-10⁰С), то теоретический потенциал тепла будет равен 160⁰С. А использовать технически можно только 130⁰С. В то же время, экономически целесообразным потенциалом, который можно использовать в теплообменнике, затраты на изготовление которого будут окупаться составит только 100⁰С.

Характерным примером нерационального использования энергии является применение ламп накаливания, в которых на освещение используется только 10% энергии, а 90% идет на тепловыделение. 

КПД преобразования топлива в электроэнергию – 0,35

КПД передачи электроэнергии                               - 0,90

КПД преобразования электроэнергии в свет        - 0,10

Итого: конечный КПД  0,35*0,90*0,10= 0,0315

Понятие энергетической ценности топлива и условное топливо

•                   Энергетическая ценность – энергия запасенная в топливе и выделяющаяся при его горении.
•                   В этой связи для удобства оценки энергетической ценности различных топлив и их применения принята условная единица – условное топливо, с теплотой сгорания равной 29330КДж/кг.

Для оценки ценности разных видов топлива и возможности экономического анализа целесообразности замены одного вида топлива другим, вводятся коэффициенты пересчета:

Вредные выбросы при использовании сжигания органического топлива

При сжигании органического топлива в атмосферу выбрасываются вредные вещества, образующиеся при окислении углеродосодержащих фракций с кислородом воздуха. Поскольку в процессе окисления участвует только кислород, то освободившийся в результате высокой температуры азот воздуха соединяется с кислородом. Таким образом в результате горения топлива получаем:

С+О2=2СО;  2СО+О2= 2СО2

Окись углерода СО выделяется из-за некачественного сжигания топлива, СО2 – в результате процесса полного окисления углерода.

В то же время высвободившийся из воздуха азот соединяется с кислородом избыточного воздуха, образуя NOx. При сжигании твердых и жидких топлив, в составе которых имеется значительное содержание серы выделяется  выделяется SОx

Таким образом в атмосферу выбрасывается СО, NOx, SОx,,а так же  зола, пыль, и тепло в виде водяного пара, находящегося в дымовых газах.

Такие выбросы, как СО₂  и водяной пар создают парниковый эффект, результатом которого является потепление в атмосфере Земли, как утверждают многие ученые. 

С целью снижения влияния парникового эффекта, мировое сообщество ограничивает выбросы СО₂. Законодательно  это оформлено Киотским протоколом, которым уровень выбросов в атмосферу зафиксирован по состоянию на 1990 год. На основании Киотского протокола страны, объем выбросов СО₂ которых в атмосферу ниже уровня 1990 года, могут продать квоты странам заинтересованным в расширении объемов производства, связанного со сжиганием органического топлива. При сжигании 1000 м³ природного газа выделяется примерно 1,6 тонны СО₂.

Приложение

Необходимо знать: что такое условное топливо; как перевести любой вид топлива в условное. Коэффициенты перевода.

Задача 1. Рассчитать необходимое количество мазута при замене природного газа в котельной  и определить что выгоднее использовать в качестве топлива.

Расход природного газа 370 м.куб/час  Каллорийность 33729,5 кДж/м.куб. теплота сгорания мазута 42000 кДж/кг.

•                   Сколько надо сжечь мазута в данном котле при сохранении его производительности?
•                   Стоимость природного газа 1500грн/1000 м.куб, мазута 530 грн./т .
•                   Сколько будет затрачено денег и какой вид топлива выгоднее?

Решение:

Количество теплоты, которое выделится в час, от сжигания природного газа составит

370 х 33729,5 = 12479915 кДж/ч

Вместо газа надо сжечь мазута

12479915 : 42000 = 297,14 кг

 За газ надо заплатить 1500 х 0,370 = 555 грн., а при сжигании мазута за час надо заплатить

                     297,14 х 0,530 = 157,4842 грн.

Таким образом, при приведенных ценах использовать мазут выгоднее.

Задача 2. Из-за утечек теплоносителя (вода с температурой 90⁰С) в количестве 1,5% от объема системы (250 м.куб) при норме 2,5 л/м.куб увеличились затраты на топливо. Определить, сколько необходимо дополнительно  затратить воды, которая подпитывает систему с начальной температурой 10⁰С при стоимости воды 7 грн за м.куб. Общие затраты денег, связанные с перерасходом воды на подпитку системы теплоснабжения.

Рисунок- труба с отверстием из которого сыпятся гривны

Решение

Согласно норм подпитка составляет 250 х 2,5 = 625 литров или 0,625 м³/в сутки

Фактическая подпитка составляет 250 х 0,015 = 37,5 м³/в сутки

Таким образом, дополнительный расход воды составляет 37,5 – 0,625 = 36,875м³/cутки

  При стоимости 7 грн/м³ дополнителные затраты за счет увеличения расхода воды  составляют 36,875 х 7 = 258,125 грн./сутки

Для того, что бы нагреть это количество воды от 10⁰С до 90⁰С надо затратить теплоэнергии в количестве Q= G * c * ∆t = 36,875 * 1000*80 = 2950000 ккал/сутки или 2,95 Гкал/сутки.

  Где : Q -  количество затраченного тепла,  G   - расход воды в кг., с – теплоемкость, ккал/кг⁰С,  ∆t -  разница температуры воды на входе и выходе из котла,⁰С.

Определим сколько дополнительно надо затратить топлива для нагрева этого количества воды, при условии, что на выработку 1 Гкал тепла необходимо затратить 172 кг.у.т. 

2,95*172 = 507,4 кг.у.т./сутки или с учетом перевода в природный газ с калорийностью 8100 ккал/м³ (К= 8100/7000 = 1,157). Таким образом, на компенсацию дополнительных затрат потребуется  507,4/1,157= 438,548 м³/сутки природного газа, а при условии цены 1500 грн. за 1000 м³ дополнительные затраты составят : 438,548*1500*10^-3 = 657,822 грн./сутки

Кроме того, необходимо затратить электроэнергию на перекачку дополнительного объема воды. Принимаем гидравлический напор насоса 40 м.в.ст. Рассчитаем дополнительные затраты электроэнергии(кВт*ч) на перекачку дополнительного расхода воды

= =17,01 кВт*ч/сутки

   Где - дополнительный расход воды, кг. Н – напор(гидравлическое сопротивление системы), м., η – коэффициент полезного действия насоса и электродвигателя.

При стоимости 70 коп/кВт*ч затраты составят 17,01*07=11,9 грн/сутки

Если система теплоснабжения работает 189 суток в год, то за год дополнительные затраты составят:

(258,125+657,822+11,9 )*189 = 175363,083 грн.

Тесты

1) Что такое энергоэффективность?

Экономия денег, -                         первые три

Повышение уровня жизни –

Защита окружающей среды –

Защита границ -

2) Выберите какой из источников энергии относится к возобновляемым

А) уголь, Б) вода В) нефть г) ядерное топливо д) дрова

 При сжигании природного газа в атмосферу выделяется: подчеркнуть правильный ответ

  СО₂, азот, зола

3) Потери в системах теплоснабжения это:

а) потеря топлива, б) потери электроэнергии в)ухудшение экологии, г) увеличение  КПД

4) Вытекание воды из крана это:

а) промывание труб б) охлаждение воды в) увеличение затрат электроэнергии у потребителя д) дополнительный расход электроэнергии в водопроводе

5) КПД установки это:

А) Отношение затраченной энергии к полезной, б)стоимость энергоустановки

 в) отношение полезной энергии к затраченной