МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ
СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
імені ВОЛОДИМИРА. ДАЛЯ
Харківський Б.Т.
Косенко В.Ф.
Сімененко С.Т.
ЕНЕРГОРЕСУРСОЗБЕРЕЖЕННЯ
ЛУГАНСЬК 2012
УДК 502.3 (075.8)
Рекомендовано до друку Вченою радою
Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля
Рецензенти:
Смирний М.Ф., доктор технічних наук, професор Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля
Плющев В.В., перший заступник начальника Державного управління охорони навколишнього природного середовища в Луганській області
Харківський Б.Т., Косенко В.Ф., Сімененко С.Т.
Енергоресурсозбереження. Навчальний посібник/Луганськ: вид-во СНУ ім.В.Даля, 2012 - 214с.
Розглянуто правові основи, принципи та механізми управління енергозбереженням, у тому числі міжнародні аспекти. Значну увагу звернуто на питання використання нетрадиційних, поновлювальних джерел енергії та вторинних енергетичних ресурсів. Проаналізовано напрями екологічної політики держави з цих питань.
Навчальний посібник розрахований на студентів екологічних спеціальностей вищих навчальних закладів, а також для системи підвищення кваліфікації і перепідготовки спеціалістів екологічного напряму.
УДК 502.3 (075.8)
© Харківський Б.Т., Косенко В.Ф.,
Сімененко С.Т.
©Східноукраїнський
національний університет
імені Володимира Даля, 2011
ВСТУП.
Україна відноситься до енергодефіцитних країн, яка задовольняє свої потреби в паливно-енергетичних ресурсах (ПЕР) за рахунок власного їх видобутку менш, ніж на 50 %.
Видобуток власних ПЕР проводиться в таких гірничо-геологічних умовах, які роблять їх неконкурентоздатними з імпортованими ПЕР. Це перш за все відноситься до видобутку нафти і газу. Не краща сучасна ситуація і у вугільній промисловості, де більшість шахт мають низькі економічні показники. Хоча Україна має великі поклади вугілля, якого вистачило б на сотні років, однак для їх розробки необхідні великі капітальні вкладення, яких в умовах економічної кризи держава не може забезпечити.
Поряд з цим ефективність використання ПЕР в економіці України та соціальній сфері дуже низька. Енергоємність валового внутрішнього продукту в Україні на сьогодні більш, ніж вдвічі вища за енергоємність промислово розвинутих країн Західної Європи і продовжує зростати.
Потенціал енергозбереження в Україні становив в докризовий період 40 - 45 % від енергоспоживання, а за часи кризи він ще виріс.
Для енергозбереження характерна висока економічна ефективність. Витрати на тонну умовного палива, отриманого за рахунок енергозбереження, в декілька разів менші за витрати на його видобуток чи купівлю. Тому в умовах України підвищення енергоефективності та енергозбереження стає стратегічною лінією розвитку економіки та соціальної сфери на найближчу та подальшу перспективу.
Саме по такому шляху пішли промислово розвинуті країни, а кращих успіхів в підвищенні ефективності досягли найбільш енергодефіцитні з них (Японія, Італія та ін.).
Основні стратегічні напрямки підвищення енергоефективності та реалізації потенціалу енергозбереження полягають в структурно-технологічній перебудові економіки країни та в створенні адміністративних, нормативно-правових та економічних механізмів, що сприяють підвищенню енергоефективності та енергозбереженню.
Структурно-технологічна перебудова економіки країни в цілому, її окремих галузей, підприємств та технологічних процесів передбачає виведення з роботи морально застарілого та фізично зношеного устаткування, припинення випуску неефективної (з точки зору енерговикористання) продукції і впровадження новітніх технологій, обладнання та побутових приладів.
Головним фактором технологічної перебудови економіки на сьогодні є припинення випуску неконкурентоздатної продукції, виведення з роботи неефективного обладнання та технологій.
Важлива частина технологічних заходів пов'язана з поліпшенням використання енергоресурсів за рахунок підвищення рівня експлуатації існуючого енергетичного господарства споживачів, модернізації технологічних процесів, перш за все за рахунок маловитратних заходів, спрямованих на підвищення комплексності використання ПЕР, зменшення втрат, оптимізацію режимів роботи.
Створення сприятливих умов для розробки, виробництва та впровадження енергоефективних технологій, машин та устаткування для реалізації заходів з енергозбереження необхідно здійснювати на основі проведення ефективної цінової, податкової та амортизаційної політики, пільгового кредитування відповідних програм та проектів за рахунок державних коштів, державного фінансування науково-дослідних та дослідно-конструкторських робіт (НДДКР) у сфері енергозбереження та підвищення ефективності використання енергоресурсів і цільового фінансування окремих проектів.
Принциповою умовою підвищення енергоефективності є створення такої законодавчої та нормативної бази вимог до енергоспоживаючих технологій, машин та устаткування, яка зробила б неможливою експлуатацію в країні енергетично неефективних технологій, машин та устаткування, що не відповідають світовому рівню.
В навчальному посібнику за порівняльну базу прийняті показники докризового періоду коли усі галузі функціонували у звичайному режимі.
Отже, мета навчального посібника – дати сучасне, у міру поглиблене розуміння про енергетичні об’єкти та їх вплив на навколишнє природне середовище, раціональне природокористування та ресурсозбереження, розкрити можливості держави в цих питаннях з урахуванням застосування нетрадиційних та поновлювальних джерел енергії і вимог Енергетичної стратегії України на період до 2030 року.
Цим самим автори сподіваються прищепити студентам-екологам уміння зробити загальний аналіз та оцінку максимальних технічно-можливих і економічно-ефективних рівнів енергозбереження реальних об’єктів різних галузей, запропонувати першочергові маловитратні та перспективні заходи з реалізації практичного потенціалу енергозбереження.
Частина і. Енергетичні об”єкти.
1. Енергетичні об'єкти житлових масивів.
В якості прикладу житлового масиву можна розглянути місто та його енергетичні потреби. Особливо наглядно розглядати енергетику на прикладі міст Донбасу, в яких розташовано багато енергоємних підприємств та достатньо висока густонаселеність. Все це призводить до більшого споживання енергії у всіх її видах.
Енергетика сучасного міста представляє собою складну багаторівневу ієрархічну систему, яка повинна забезпечити комфортні умови проживання населення, а також нормальне функціонування розташованих на його території промислових виробництв, підприємств та установ. Тільки на основі надійно та ефективно працюючої системи забезпечення міста необхідною енергією та енергетичними ресурсами можливі його життя та розвиток як єдиного територіального комплексу.
Енергетичні об'єкти є одним з головних факторів життєзабезпечення міст. У той же час вони найбільш негативно впливають на навколишнє природне середовище.
1.1.Структура і тенденції розвитку енергопостачання.
Енергію у вільній формі неможливо накопичувати на тривалий час. Тому процеси виробництва та споживання енергії повинні співпадати у часі або відбуватися безпосередньо друг за другом і бути пов'язані між собою ланкою передачі. Це впливає на характер виробничих, технічних та економічних зв'язків енергетики з іншими галузями матеріального виробництва, на структуру і форми розвитку власно енергетики та систем енергопостачання.
Енергопостачання – сукупність послідовних процесів виробництва, передачі та використання енергії.
Система енергопостачання – сукупність установок та обладнань, які необхідні для цілей енергопостачання.
Ланка перетворення енергії. На практиці часто використовується термін „види енергії”, під якими розуміють різні джерела енергії або види палива.
Паливо – горюча речовина, яку економічно доцільно використовувати для отримання значної кількості теплоти.
Теплота згорання – кількість теплоти, яка виділяється при повному згоранні палива. Розрізняють вищу Qрв та нижчу Qрн теплоту згорання (теплотворна властивість палива).
Вища Qрв – теплота згорання, яка виділяється при згоранні 1 кг твердого, рідкого або 1 м3 газоподібного палива при перетворенні водяної пари, яка міститься в продуктах згорання, в рідину. Нижча теплота згорання менша вищої на величину пароутворення вологи, яка мається в паливі (Wр) або яка утворюється в результаті згорання водню палива (Нр).
Умовне паливо як визначення використовується з метою порівняльних розрахунків.
Умовне паливо – паливо, теплота згорання якого прийнята рівною 29,35 МДж/кг (7000 ккал/кг). Перевод дійсної кількості палива в умовне виробництво відбувається помноженням кількості даного палива на його еквівалент Э= Qрн /29,35.
Основними природними (первинними) паливно-енергетичними ресурсами (ПЕР), на яких базується сучасна енергетика, є видобувне паливо (вугілля, торф, нафта, сланці, горючі гази), продукти його переробки (моторне мастило, мазут, брикети), водяні потоки (ріки), ядерне горюче (уран, торій). Існують і інші види палива або джерела енергії, наприклад, біомаса, енергія сонця, енергія вітру, енергія хвиль, гідроресурси, геотермальна енергія. Це поновлювальні, найбільш екологічно чисті, так звані альтернативні джерела енергії.
Видом ресурсів, що споживаються, визначаються напрямки розвитку енергетики: теплоенергетика, яка використовує ПЕР та визначає масштаби паливодобувної промисловості; гідроенергетика, яка розвивається на базі гідроенергетичних ресурсів як галузь по комплексному використанню водних запасів країни; атомна енергетика, яка заснована на перетворенні внутрішньоядерної енергії в інші види; вітроенергетика, геліоенергетика та інші.
Всі ці види палива представляють первинні енергетичні ресурси та утворюють першу ланку ланцюга перетворення енергії – енергетичного ланцюга (рис.1.1). На діаграмі показаний шлях від джерела енергії до її кінцевого споживання. Наприклад, сира нафта, яка видобувається з землі, і є первинним джерелом енергії, але має обмежене застосування. Вона може бути перетворена в більш калорійні вторинні джерела енергії, такі як бензин, газ, нафта, мазут, важке дизельне паливо та інші. Подібна обробка пов'язана з втратами енергії. Доведення вторинної енергії до споживача також пов'язано з додатковими втратами енергії на транспортування та розподіл. На кінцевому етапі енергоносій перетворюється для отримання корисної енергії та подання її в пункт споживання.
Рис.1.1. Структура енергопостачання.
Наприклад, в процесі спалювання мазуту в топці опалювальної котельної отримуємо теплоносії (водяну пару, гарячу воду), які подаються також на опалення та гаряче водоспоживання міських об'єктів.
Основними видами продукції енергетичного виробництва є електрична та теплова енергія, у формі яких відбувається споживання енергетичних ресурсів на кінцевій стадії їх використання. Обладнання, на якому енергія природних енергетичних ресурсів перетворюється в інші види енергії, називається енергогенеруючим (або енергогенераторами), а такі, що використовують перетворені види енергії – енергоприймачами (споживачами та абонентами).
Таким чином, виходячи з задач енергопостачання та ланцюга перетворення енергії, будь-яка система енергопостачання базується на визначених енергетичних ресурсах та включає в себе три головних елементи: джерело енергії (енергогенератор), мережі (розмежувальні та транспортні) та енергоприймач (споживач, абонент).
Структура передаточних ланок в системі визначається рівнем концентрації та централізації енергозбереження.
Концентрація – процес зосередженості виробництва енергії на великих енергетичних підприємствах, тобто збільшення одиночної потужності та виробності енергетичного обладнання та устаткування. Концентрація – важливий фактор здійснення технічної бази та підвищення ефективності виробництва.
Централізація – об'єднання споживачів енергії єдиними для них енергетичними мережами та джерелами енергії, яке визначається, в першу чергу, нерозривністю у часі виробництва та споживання енергії. Централізація в енергетиці – форма раціональної організації енергопостачання споживачів.
Концентрація та централізація енергопостачання збільшують дальність передачі енергії. Це пов'язано з додатковими затратами та втратами енергії в розподільній системі.
Знизити ці втрати та збільшити дальність транспортування дозволяє підвищення потенціалу енергоносіїв, які використовуються для передачі та розподілення енергії.
Основною формою енергопостачання в Україні є централізовані системи. Об'єднуючи енергогенеруючі установки, які трансформують, та обладнання, яке розподіляє, та енергоприймачі, вони характеризуються спільністю принципів формування та режиму роботи усіх ланок, взаємозалежністю процесів виробництва, розподілу та використання енергії.
Паливно-енергетичний комплекс України. З принципами концентрації та централізації пов'язано об'єднання енергетики та галузей паливодобувної та перероблювальної промисловості в єдиний паливно-енергетичний комплекс (ПЕК). ПЕК України – один з самих крупних та чітко виражених комплексів національної економіки, який представляє собою єдину систему енергопостачання держави та охоплює сукупність процесів виробництва, перетворення, транспорту та розподілу паливно-енергетичних ресурсів. Головною ціллю функціонування ПЕК є ефективне та надійне забезпечення всіх споживачів народного господарства України енергією необхідної якості (електричної та теплової, а також у вигляді тих або інших енергоносіїв та робочого тепла).
Електроенергетика, або енергетична промисловість України охоплює сукупність процесів з виробництва, транспорту та розподілу електричної та теплової енергії, які реалізуються атомними електростанціями (АЕС), тепловими електростанціями на органічному паливі (ТЕС, ТЕЦ), гідравлічними (ГЕС), гідроакумулюючими (ГАЕС) електростанціями та котельними; лініями електропередач, електричними та тепловими мережами держави; електростанціями, котельними та утилізаційним обладнанням відомчих організацій та підприємств; розподільними електричними та тепловими мережами, які не належать державі; енерго- та паливно-постачальними організаціями. Крім перелічених потужних джерел теплової та електричної енергії, існує значна кількість малих систем теплоелектрогенерування, які розташовані по містах, населених пунктах та різним галузям промисловості. Ці районні опалювальні та опалювально-виробничі котельні, заводські ТЕС, ТЕЦ та котельні, промислові печі, побутові енергоустановки, які призначені для обслуговування декількох будівель та споруд, індивідуальних будівництв, котеджів, приватних будинків та інш. Всі ці енергогенеруючі джерела мають ознаки окремої галузі зі своєю продукцією, іноді досить істотним внеском в загострення екологічної обстановки. По суті, це паливно-енергетичний комплекс, який прийнято називати малою енергетикою. До числа об'єктів нетрадиційної малої енергетики можна віднести також установки та споруди, які використовують сонячну енергію, енергію вітру, геотермальну енергію, біомасу, низькопотенційну енергію та інш.
Об’єми виробництва малої енергетики можна порівняти з виробництвом енергії на великих електростанціях. Так, в 1992р. об'єктами комунальної енергетики використано більше 65 млн. тон умовного палива (т.у.п.) та вироблено приблизно 250 ПДж теплової енергії. Для порівняння, усіма тепловими електростанціями України в цьому ж році вироблено 324 ПДж теплової енергії та витрачено близько 80 млн т.у.п.
Паливна промисловість України охоплює сукупність процесів з видобутку природних видів палива та їх переробці (сортування, збагачення, безпосередньо переробка), які реалізуються вугільною, газовою, нафтодобувною, нафтопереробною, торф’яною та атомною промисловістю.
Постійне нарощування на протязі багатьох десятиріч об'ємів виробництва ресурсоємної та енергоємної продукції призвело до того, що Україна перетворилась з експортера паливних ресурсів в імпортера. В той же час енергоємність валового внутрішнього продукту України в 2-4 рази вище середнього значення в європейських країнах.
Структуру енергопостачання міст формують споживачі енергії та енергоспоживаючі процеси. До споживачів енергії відносять житлові будівлі, підприємства та установи комунально-побутового обслуговування та господарства, підприємства громадського харчування, зв’язку, установи освіти, культури, мистецтва, спорту, адміністративно-господарські, учбові, наукові, громадські та інші організації.
В міському комунальному господарстві споживання енергії забезпечує силові та теплові процеси (високотемпературні, середньо- та низькотемпературні), освітлення та споживання енергії на культурно-побутові потреби. Практично у всіх містах України на базі міських комунальних та районних електростанцій та котельних установок різного типу склалася система централізованого електропостачання та теплопостачання населення.
Наступною важливою системою енергопостачання міст є система газопостачання. Газифікація міст отримала широкого розвитку в 50-і роки ХХ століття. Завдяки газифікації забезпечується централізація паливопостачання високотемпературних процесів у побуті, громадському та промисловому секторі. Переведення місцевих теплових установок усіх видів на газоподібне паливо сприяє оздоровленню повітряного басейну та покращення загального екологічного та санітарного стану міст.
Розвиток енергетики міст на сучасному етапі характеризує наступні основні тенденції:
підвищенню питомого розходу енергоресурсів на потреби міського господарства;
випереджуючі темпи росту енергоспоживання відносно до темпів росту споживання ПЕР в цілому;
зменшення долі безпосереднього використання палива за рахунок підвищення ролі перетворених видів енергії в задоволення енергетичних потреб міст;
покращення екологічних показників виробництва енергії та енерговикористання;
підвищення рівня газифікації та збільшення частки природного газу в паливно-енергетичному балансі міст;
ріст концентрації споживання енергії у великих містах, який відбувається шляхом підвищення енергетичної щільності навантаження на 1 км2 міської території та питомого розходу ПЕР на одного мешканця;
поєднання переважного централізованого електропостачання з децентралізованим теплопостачанням;
подальший розвиток газопостачання міст шляхом удосконалення структури та схеми розподільних мереж, покращення їх параметрів, модернізації роботи міського господарства.
Порівняно з іншими видами енергії нетрадиційні відіграють малу роль, але спостерігається також чітка тенденція поступового розвитку вітроенергії (східне узбережжя Європи, Каліфорнія, південь України), геліоенергетики (Нідерланди, США, Японія).
Оскільки сьогодні основою енергопостачання міст є централізоване створення практично всіх енергоресурсів, тому необхідно розглядати перспективи розвитку визначаючої складової ПЕК – електроенергетики.
Забезпечення надійного та стабільного енергопостачання народного господарства України електричною та тепловою енергією при значному зменшенню шкідливого впливу на навколишнє природне середовище здійснюється:
шляхом технічного переобладнання та реконструкції діючих електростанцій, електричних та теплових мереж;
впровадження нових технологій спалювання вугілля шляхом створення відповідного обладнання та парагазових установок, в тому числі з внутрішньою газифікацією вугілля;
введенням до числа діючих енергоблоків АЕС високого та середнього ступеня готовності;
подальшим розвитком гідроенергетики шляхом освоєння гідроресурсів Західної України та модернізації малих ГЕС, а також будівництво ГАЕС;
подальшим розвитком теплофікації з комбінованим відпрацюванням теплової та електричної енергії на ТЕЦ;
створенням в Україні повного ядерного паливно-енергетичного циклу;
орієнтацією на забезпечення енергетичним обладнанням вітчизняного виробництва;
створенням необхідних умов для повного та своєчасного забезпечення ТЕС українським вугіллям;
поширенням об'ємів використання нетрадиційних та відновлювальних джерел енергії.