Опорний конспект на тему "ВИДИ ЕНЕРГІЇ. ПЕРВИННА І ВТОРИННА. НЕ ПОНОВЛЮВАНІ І ПОНОВЛЮВАНІ ВИДИ ЕНЕРГІЇ"

ВИДЫ ЭНЕРГИИ. ПЕРВИЧНАЯ И ВТОРИЧНАЯ.

НЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ И ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ВИДЫ ЭНЕРГИИ

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

Надо отметить, что основным энергетическим источником жизни на Земле является Солнце. Количество энергии, посылаемой Солнцем на Землю, равно 13•10²³ кал/год. Около 1/3 солнечной энергии немедленно отражается обратно в космическое пространство в виде света (аналогично лунному свету). Из оставшихся 2/3 большая часть поглощается Землей и превращается в тепло. Часть поглощенной тепловой энергии идет на испарение воды в океанах, что приводит к образованию облаков и соответственно дождя и снега. Солнечная энергия в совокупности с другими факторами ответственна за движение воздушных масс и воды и участвует тем самым в создании различных климатических условий на поверхности Земли. Менее 1% солнечной энергии, достигающей Земли, преобразуется клетками растений.

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

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

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

Виды энергии. (Природа возникновения)

Энергию можно рассматривать в двух категориях - первичной и вторичной.

Первичная энергия - это энергия, которая содержится в таких видах природных (источников) ресурсов, как древесина, уголь, нефть, природные газ, уран, энергия ветра, солнца, гидроэнергия, и может быть преобразована в электрическую, тепловую, механическую, химическую.

Вторичная энергия - это формы, более пригодные для эксплуатации, в которые может быть преобразована первичная энергия, такие, как электроэнергия и бензин. Вторичная энергия получается после преобразования первичной на специальных установках.

В первичной энергии нет недостатка. Солнце дарит нам свою энергию каждый день. Мы видим проявление ее в разных формах. Так, например, деревья и растения, пропуская через себя солнечные лучи, преобразуют эту энергию в растительную биомассу. Огромное количество солнечной энергии скопилось в материалах земной коры (торф, нефть, уголь).

Общие запасы первичной энергии, на которые может рассчитывать человечество, оцениваются ресурсами, которые можно разделить на две большие группы: возобновляющиеся и не возобновляющиеся.

Возобновляемая - это энергия солнца, ветра, волн, биомассы (древесины или растений), геотермальная и гидроэнергия.

 Возобновляемая энергия:

• падающая на поверхность Земли солнечная энергия;

• геофизическая энергия (ветра, рек, морских приливов и отливов);

• энергия биомассы (древесина, отходы растениеводства, отходы животноводства).

 Невознобляемая – это энергия, содержащаяся в органическом топливе: уголь, нефть, природный газ, которые дают на сегодня свыше 80% энергии. Плюс уран (торий и д.р.).

Использование запасов органического топлива может быть связано с большими затратами на разработку, транспортировку этих ресурсов, охрану труда и окружающей среды.

 Из разведанных и легко добываемых запасов органических топлив на Земле можно привести следующие объемы на данный период, млрд. т у.т. (условного топлива):

уголь (включая бурый)………800;

нефть………………….…..........90;

газ…………………….….………85;

торф………………………..……..5.

 Таким образом, легкодобываемые запасы энергоресурсов никак нельзя назвать значительными, скорее ограниченными. Следует отметить, что распределение запасов органических топлив на земле очень неравномерно. Более 80 % всех этих запасов сосредоточены на территории Северной Америки, бывшего СССР и развивающихся стран. Это уже является основанием для возникновения всякого рода чрезвычайных ситуаций и кризисов. Предполагалось, что ХХI век будет веком ядерной энергетики. Но, Чернобыльский синдром привел к существенным ограничениям дальнейшего развития атомной энергетики.

 В настоящее время мировое потребление невозобновляемых энергоресурсов в год составляет, по разным данным, 12 – 15 млрд. т у.т. Из них более 50 % составляют нефть и газ.

Из возобновляемых источников энергии наибольшее развитие получила гидроэнергетика, до 9 % от общей выработки электроэнергии. Пока возможный технически гидроэнергетический потенциал используется в мировой практике примерно на 10 % из общего мирового потенциала 7 млрд. т у.т./год. Но строительство ГЭС – это затратное дело, особенно ГЭС большой мощности. Окупаемость затрат здесь несколько десятков лет. При этом 80 % всего гидроэнергетического потенциала сосредоточено в Латинской Америке, Африке, Азии, бывшем СССР. Все эти страны с весьма ограниченным или неопределенным инвестиционным потенциалом.

Общий вклад в современное энергопроизводство таких источников энергии, как солнечная, ветровая, приливная, очень мал и не превышает 0,1 %. Оценки, выполненные в Японии, свидетельствуют, что максимальный вклад этих источников при современных методах использования предельно может достичь 3 % от современного уровня энергообеспечения (для Японии). Следует учесть, что не каждая страна может себе позволить необходимые инвестиции в освоение этих видов энергоресурсов.

 Достаточно перспективно использование энергии биомассы, в первую очередь дров. По разным оценкам, в год на Земле в энергетических целях сжигается дров до 1,5 млрд. т у.т., а общий энергетический потенциал биомассы оценивается в 5,5 млрд. т у.т./год. В ряде стран (Китай, США, Индия) для освоения энергии биомассы широко используются биогазовые установки для получения искусственного горючего газа. Подобные установки имеются и в нашей стране, производят также высокоэффективные удобрения. Плюс к тому - полученные в биореакторах более 100 млн. т высокоэффективных удобрений (без следов нитритов и нитратов, болезнетворной микрофлоры и даже семян сорняков).

 Однако темпы освоения возобновляемых источников энергии в нашей стране чрезвычайно низки. Основная задача на сегодня - избавиться от сильной зависимости от органического топлива и более полно использовать неуглеродные источники энергии. Это необходимо сделать в связи с глобальным потеплением на Земле.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ СОВРЕМЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА.

ВИДЫ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ (ЭНЕРГОНОСИТЕЛИ).

Топливно-энергетические ресурсы (ТЭР) - совокупность всех природных и преобразованных видов топлива и энергии.

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

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

 Вторичные энергетические ресурсы - энергия, получаемая в ходе любого технологического процесса в результате недоиспользования первичной энергии в виде побочного продукта основного производства и не применяемая в этом технологическом процессе. Например, пар, который получается в технологических процессах после теплообменников, может быть использован для обогрева помещений.

Экономическая классификация  энергетических ресурсов

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

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

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

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

 Энергетические ресурсы принято характеризовать числом лет, в течение которых данного ресурса хватит для производства энергии на современном качественном уровне. Из доклада комиссии Мирового энергетического совета (1994 г.) при современном уровне потребления запасов угля хватит на 250 лет, газа — на 60 лет, нефти — на 40 лет. При этом по данным Международного института прикладного системного анализа, мировой спрос на энергоносители вырастет с 9,2 млрд т в пересчете на нефть (конец 1990-х гг.) до 14,2—24,8 млрд т в 2050 году. Доля различных видов энергетических ресурсов в общемировой выработке первичной энергии на начало 90-х годов представлена на рис. 1.4.

Первичные топливные энергетические ресурсы

ТОПЛИВО ПОДРАЗДЕЛЯЮТ НА СЛЕДУЮЩИЕ ЧЕТЫРЕ ГРУППЫ:

-твердое; - жидкое; - газообразное; - ядерное.

 Самым первейшим видом твердого топлива были (а во многих местах остаются и в настоящее время) древесина и другие растения: солома, камыш, стебли кукурузы и т. п.

Первая промышленная революция, которая в XIX веке полностью преобразовала аграрные страны Европы, а затем и Америку, произошла в результате перехода от древесного топлива к ископаемому угольному. Потом пришла эра электричества. Открытие электричества оказало огромное влияние на жизнь человечества и обусловило зарождение и рост крупнейших городов мира.

Применение нефти (жидкий вид топлива) и природного газа в сочетании с развитием электроэнергетики, а затем и освоение энергии атома позволили промышленно развитым странам осуществить грандиозные преобразования, итогом которых стало формирование современного облика Земли.

Таким образом, к твердому виду топлива относят:

-древесину, другие продукты растительного происхождения;

-уголь (с его разновидностями: каменный, бурый);

-торф;

-горючие сланцы.

 Ископаемые твердые топлива (за исключением сланцев) являются продуктом разложения органической массы растений. Самый молодой из них торф, представляющий собой плотную массу, образовавшуюся из перегнивших остатков болотных растений.

Следующими по «возрасту» являются бурые угли - землистая или черная однородная масса, которая при длительном хранении на воздухе частично окисляется (выветривается) и рассыпается в порошок. Затем идут каменные угли, обладающие, как правило, повышенной прочностью и меньшей пористостью. Органическая масса наиболее старых из них - антрацитов претерпела наибольшие изменения и на 93 % состоит из углерода. Антрацит отличается высокой твердостью.

Горючие сланцы представляют собой полезное ископаемое, дающее при сухой перегонке значительное количество смолы, близкой по составу к нефти.

 Жидкие виды топлива получают путем переработки нефти. Сырую нефть нагревают до 300 ... 370 °С, после чего полученные пары разгоняют на фракции, конденсирующиеся при различной температуре:

- сжиженный газ (выход около 1 %); -бензиновую (около 15 %, tK = 30 ... 180 °С); -керосиновую (около 17 %, tK = 120 ... 135 °С); - дизельную (около 18%, tK = 180 ... 350 °С).

Жидкий остаток с температурой начала кипения 330 ... 350 °С называется мазутом.

Газообразными видами топлива являются природный газ, добываемый как непосредственно, так и попутно с добычей нефти, называемый попутным. Основным компонентом природного газа является метан СН4 и в небольшом количестве азот N2, высшие углеводороды, двуокись углерода. Попутный газ содержит меньше метана, чем природный, но больше высших углеводородов, и поэтому выделяет при сгорании больше теплоты

В промышленности и, особенно в быту, находит широкое распространение сжиженный газ, получаемый при первичной переработке нефти. На металлургических заводах в качестве попутных продуктов получают коксовый и доменный газы. Они используются здесь же на заводах для отопления печей и технологических аппаратов. В районах расположения угольных шахт своеобразным «топливом» может служить метан, выделяющийся из пластов при их вентиляции. Газы, получаемые путем газификации (генераторные) или путем сухой перегонки (нагрев без доступа воздуха) твердых топлив, в большинстве стран практически вытеснены природным газом, однако в настоящее время снова возрождается интерес к их производству и использованию.

 В последнее время все большее применение находит биогаз - продукт анаэробной ферментации (сбраживание) органических отходов (навоза, растительных остатков, мусора, сточных вод и т. д.).

Вторичные энергоресурсы, источники поступления, пути использования

Любой технологический процесс требует определенного расхода топлива, электрической и тепловой энергии; в результате химических реакций, механических воздействий горючие газы, теплоносители, газы и жидкости с избыточным давлением выделяют тепло. Эти энергетические ресурсы, как правило, используются не в полном объеме или не используются вовсе. Та часть энергии, которая прямо или косвенно не используется как полезная для выпуска готовой продукции или услуг, называется энергетическими отходами. Неиспользуемые в данном технологическом процессе или установке энергетические отходы, которые могут быть частично или полностью использованы для энергоснабжения других установок, получили название вторичных энергетических ресурсов (ВЭР). Общие энергетические отходы равны разности между энергией, поступающей в технологический аппарат, и полезно используемой энергией.

 Технологический агрегат или установка, являющаяся источником отходов энергии, которую можно использовать как полезную, называется агрегатом - источником или установкой - источником ВЭР.

 Общие энергетические отходы разделяют на три вида:

•   неизбежные потери в технологическом агрегате или установке;

• энергетические отходы внутреннего использования, которые возвращаются обратно в технологический агрегат (установку) за счет регенерации или рециркуляции и в результате этого сокращают количество подведенной первичной энергии при неизменной величине поступления энергии в технологический агрегат;

• энергетические отходы внешнего использования, представляющие собой ВЭР.

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

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

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

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

 Использование вторичных энергетических ресурсов - это использованное количество ВЭР данного агрегата в других установках и системах. Использование вторичных энергоресурсов потребителем может осуществляться непосредственно без изменения вида энергоносителя или за счет преобразования его в другие виды энергии.

 Выработка энергоносителей (водяного пара, горячей или охлажденной воды, электроэнергии, механической работы) за счет снижения энергетического потенциала носителя ВЭР осуществляется в утилизационной установке.

 В утилизационных установках ВЭР могут применяться по следующим направлениям:

• топливному - с использованием не пригодных к дальнейшей переработке горючих отходов в качестве топлива;

• тепловому (холодильному) - с использованием теплоты отходящих газов печей и котлов, теплоты основной, промежуточной и побочной продукции, отработанной теплоты горячих воды, пара и воздуха и ВЭР избыточного давления;

• силовому - с использованием механической и электрической энергии, вырабатываемой за   счет ВЭР;

• комбинированному - для производства теплоты (холода), электрической или механической энергии.

Энергетический потенциал отходов и продукции классифицируется по запасу энергии в виде химически связанной теплоты (горючие ВЭР), физической теплоты (тепловые ВЭР), потенциальной энергии избыточного давления (ВЭР избыточного давления). Во всех случаях единицей измерения энергетического потенциала является кДж/кг, или кДж/м³.

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

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

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

 Избыточная кинетическая энергия также относится к вторичным энергоресурсам избыточного давления.

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

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

 Необходимо отметить, что изменение схем топливо- и теплопотребления, когда использование энергоресурсов внутри технологических агрегатов улучшилось, а выход вторичных энергоресурсов сократился, не является использованием ВЭР. Такие преобразования схем только усовершенствовали технологический процесс данной установки (агрегата).

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

 Выявление выхода и учета возможного использования вторичных энергоресурсов - одна из задач, которую необходимо решать на всех предприятиях и особенно предприятиях с большим расходом топлива, тепловой и электрической энергии.

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

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