Основи екології - Олійник Я.Б. - 6.2. Шляхи подолання енергетичної кризи

Сталий розвиток суспільства можливий лише за умови подолання глобальної енергетичної кризи. На сьогодні є принаймні два головні шляхи. Перший - це енергозбереження, а другий - упровадження і використання нетрадиційних (альтернативних) та відновних джерел енергії (ВДЕ).

Енергозбереження - це розробка систем, які більш ефективно використовують енергію, тобто забезпечують такий самий або навіть вищий рівень опалення, освітлення, транспортних послуг тощо при менших енергозатратах. Зазвичай 60-80 % споживаної енергії не перетворюється на корисну працю, а губиться у вигляді тепла. Енергозбереження передбачає значне зниження цих втрат. Можливості енергозбереження вже широко використовуються у всьому світі. Це, наприклад, скорочення витрат автомобільного пального, упровадження нових технологій у виробничий процес та ін. Широко застосовується такий напрямок енергозбереження, як поліпшення термоізоляції приміщень, що знижує енерговитрати на опалення та охолодження.

Так само в усьому світі відбувається усвідомлена заміна традиційних електричних ламп флуоресцентними. У перших коефіцієнт корисної дії становить всього 5 %, а 95 % енергії губиться у вигляді тепла, а у флуоресцентних електричних лампах ККД дорівнює майже 95 %.

І нарешті, дуже перспективний напрям енергозбереження - когенерація. Електрику зазвичай виробляють на електростанціях, де 60-70 % енергії палива втрачається у вигляді тепла. На опалення витрачається додаткове паливо, Когенерація - це розміщення електрогенератора разом з його джерелом енергії безпосередньо у кожній будівлі. Якщо при цьому використовувати тепло, яке виділяється при отриманні електрики, для опалення та гарячого водопостачання, можна заощаджувати до 30 % і більше палива. Отже, когенерація - це комбіноване виробництво теплоти та електроенергії, що має високу ефективність.

Ефективність когенерації добре відома з практики експлуатації традиційних ТЕЦ, які є одним з технічних застосувань технології когенерації. З успішним розвитком газотурбінних і газо-поршневих двигунів як приводів електрогенераторів з'явилася можливість упровадження інших технічних рішень у когенераційних технологіях з коефіцієнтом використання палива БОРО %. Усі інформаційні джерела вказують на суттєві технічні, економічні, екологічні і соціальні переваги когенерації порівняно з роздільним виробництвом теплової та електричної енергії. Крім того, в умовах ринку децентралізація генеруючих станцій збільшує енергетичну безпеку та незалежність регіонів і окремих підприємств, а також посилює конкуренцію в електроенергетиці.

Згідно з Кіотським протоколом 1997 р. уряди промислово розвинутих країн взяли на себе зобов'язання зі скорочення викидів парникових та інших шкідливих газів у довкілля. Найліпшим засобом досягнення цієї мети є когенерація, тому у багатьох країнах розвиток і впровадження когенераційних технологій при генеруванні електроенергії регулюються на державному рівні. Комбіноване виробництво теплової та електричної енергії дає змогу суттєво, до 20-30 %, зменшити витрати палива порівнянно з їх роздільним виробництвом. Якщо за допомогою когенераційних потужностей компенсувати відпрацьовані потужності теплових електростанцій, то на кожній тисячі мегават можна економити понад 1,5 млн т умовного палива (у. п.) на рік. Комбіноване виробництво теплової та електричної енергії дозволяє зменшити викиди парникових газів до 500 кг на кожну МВт/год виробленої електроенергії. На ту ж 1000 МВт когенераційних потужностей це дає зменшення викидів біля 5 млн т на рік.

Нині найефективнішою технологією виробництва електричної і теплової енергії з органічного палива є когенерація і тригенерація. Когенераційні установки на базі газопоршневих двигунів мають найвищу ефективність перетворення енергії палива у електрику. Наприклад, для сучасних установок виробництва General Electric Jenbacher (світовий лідер у виробництві газопоршневих двигунів і електростанцій), електричний ККД становить 43 %, а з урахуванням утилізації тепла коефіцієнт використання палива досягає 90 %. Це дає змогу звести до мінімуму паливну складову v собівартості виробленої електроенергії і, відповідно, кінцевої продукції.

Пристрій когенераційної установки виконується, як правило, на базі газової кабіни, газодизельного або газопоршневого двигуна і складається із силового агрегату, мікротурбіни або відповідного двигуна, генератора, теплообмінника і системи управління (рис. 6.1). У газотурбінних установках основна кількість тепла відбирається із системи вихлопу. У газопоршневих і газо-дизельних установках відбір теплової енергії відбувається від масляного радіатора, а також від системи охолодження двигуна. Надмірне тепло може також направлятися в холодильні машини для виробництва холоду, з подальшою реалізацією в системах кондиціонування. Подібна технологія називається тригенерацією.

Рис. 6.1. Схема роботи когенераційної установки

Наприклад, на молокопереробних підприємствах використовують когенераційні технології і технології тригенерації для власного комбінованого виробництва дешевої електроенергії і теплової енергії при спалюванні природного газу з максимальною ефективністю у когенераційних газопоршневих установках, а також перетворюють теплову енергію у холодоносій для використання у технологічних виробничих процесах молокозаводу.

Для електро і теплопостачання житлових, адміністративних та виробничих будівель застосовують сучасні модульні, повністю автоматизовані когенераційні установки в контейнерному виконанні (рис 6.2). Контейнер містить все необхідне обладнання, завдяки чому він повністю готовий до експлуатації, значно скорочується час на монтаж і підключення до зовнішніх систем. Контейнер використовують як окремо розташовану, прибудовану чи дахову будівлю.

Рис. 6.2. Контейнерне виконання модульної когенераційної установки

Отже, конкретними і незаперечними перевагами власної когенераційної електростанції е такі:

- більш ефективне використання дорогого палива (загальний коефіцієнт використання палива в установках досягає 90 %);

- можливість одержання дешевої електроенергії для споживачів підприємства;

- одержання необхідної кількості дешевого теплоносія для технології тригенерації;

- зниження рівнів викидів шкідливих речовин і парникових газів;

- упровадження передової високоефективної технології тригенерації у технологічний цикл підприємств.

Різні країни світу по-різному упроваджують технології енергозбереження залежно від своїх економічних, екологічних, соціальних та інших можливостей, але всі усвідомлюють, що без цього подальший розвиток уже не можливий.

Сучасний розвиток світової економіки невід'ємно пов'язаний зі зростанням темпів виробництва енергії. Це зумовлюється багатьма факторами, зокрема, загальним збільшенням світового товаровиробництва, розвитком транспорту і телекомунікацій, розробкою віддалених родовищ корисних копалин, утилізацією відходів, зростанням споживання енергії у побуті (опалення, освітлення, живлення побутової техніки), технічним переозброєнням армій тощо. Тому темпи зростання виробництва енергії нині перевищують темпи зростання населення Землі. Зараз перед енергетикою стоїть багато проблем, і найбільш гостра - проблема її джерел. На сьогодні 6 млрд населення Землі споживають більше 12 млрд кВт енергії за рік, тобто у середньому 2 кВт на людину. Ця енергія отримується за рахунок таких енергоресурсів: вугілля - 26 %, нафти - 42 %, газу - 20 %, гідроенергії - 4 %, ядерної - 5 %, інших джерел - 3 %. Тобто майже 90 % енергії людство отримує за рахунок органічних видів палива - нафти, вугілля, газу. Ці джерела енергії ще називають невідновними, оскільки швидкість їх нагромадження у надрах Землі набагато менша від швидкості їх використання - приблизно у 106 разів.

Отже, людству необхідно все більше й більше енергії, отримати яку за рахунок невідновних джерел у недалекому майбутньому буде важко чи взагалі неможливо. Справді, за різними оцінками, розвіданого органічного палива вистачить на 30-50 років. Якщо врахувати так звані геологічні запаси, які будуть своєчасно розвідані, а експлуатація їх не затримуватиметься, то, з урахуванням зростання рівня витрат енергії, органічного палива може вистачити ще років на 100-150. Причому тільки вугілля ще тривалий час може зберігати своє місце в енергетичному балансі, проте його використання супроводжується високим рівнем забруднення атмосфери. Ядерна енергетика, яка на сьогодні має значно більше сировинних ресурсів, ніж є органічного палива, динамічно розвивалася протягом останніх 20-ЗО років. Але сьогодні, на думку багатьох фахівців, вона вже не може вважатися перспективним видом енергії через високий ризик радіоактивного забруднення навколишнього середовища, що виявився в серії техногенних аварій, особливо під час сумнозвісної Чорнобильської катастрофи.

Тому у світі все більше звертають увагу на використання так званих відновних джерел енергії - тепла Землі, енергії вітру, припливів та відпливів, біогазу, сонячного випромінювання тощо. Практично всі ці джерела енергії повністю зумовлені прямою дією Сонця. Сталий розвиток суспільства потребує повільної ліквідації залежності від викопного палива. Отже, другим шляхом подолання сучасної енергетичної кризи (після енергозбереження) є перехід до використання альтернативних (нетрадиційних, відновних) джерел енергії. Альтернатива (франц. alternative, лат. alter - один з двох) - необхідність вибору однієї з двох або декількох можливостей, що взаємовиключаються. Альтернативними джерелами енергії називають такі матеріальні засоби її виробництва, які можуть бути протиставлені основним, котрі використовують нині, як противага або заміна. Отже, альтернативна енергетика охоплює такі види: геліоенергетика, змішана, біоенергетика, вітро-, гідро-, геотермоенергетика, космічна, енергетика вторинного використання викидного тепла (рис. 6.3).