Лекция 1 Введение. Современное состояние, потенциал и перспективы развития в области энергосбережения.
В современном мире необходимым условием сохранения жизни и развития цивилизации стало обеспечение человечества достаточным количеством энергии и топлива. Проблема ограниченных запасов природных топливно-энергетических ресурсов, к которым относятся невозобновляемые источники энергии (торф, уголь, нефть, природный газ), заставила мировое сообщество всерьез обратиться к разработке программ по энергосбережению. На данный момент энергосбережение стало основным и самым эффективным способом развития современной мировой энергетики.
Россия располагает масштабным недоиспользуемым потенциалом энергосбережения, который по способности решать проблему обеспечения экономического роста страны сопоставим с приростом производства всех первичных энергетических ресурсов.
По данным специалистов, доля энергозатрат в себестоимости продукции в России достигает 30–40%. Во многом это вызвано использованием устаревшего оборудования на крупных предприятиях, в ЖКХ и других сферах деятельности. К примеру, на большинстве отечественных предприятий до сих пор используются электродвигатели с большой мощностью, которые рассчитаны на максимальную нагрузку, хотя пиковый период работы составляет всего 10–15% от общего количества рабочего времени.
В Российской Федерации начало формирования государственной политики в вопросах энергосберегающих технологий положило принятие в 1992 году постановления Правительства Российской Федерации «О неотложных мерах по энергосбережению в области добычи, производства, транспортировки и использования нефти, газа и нефтепродуктов» (№ 371 от 01.06.92 г.). В том же году Правительством РФ была одобрена «Концепция энергетической политики России», а в 1996 году вступил в силу Федеральный закон № 28–ФЗ «Об энергосбережении».
Нехватка энергии может стать существенным фактором сдерживания экономического роста страны. Запасов нефти и газа в России достаточно, однако увеличение объемов добычи углеводородов и развитие транспортной инфраструктуры требуют значительных инвестиций.
Барьеры, сдерживающие развитие энергосбережения и энергоэффективности в стране, можно разделить на четыре основные группы:
- недостаток мотивации;
- недостаток информации;
- недостаток опыта финансирования проектов;
- недостаток организации и координации.
Существует два пути решения возникшей проблемы:
· первый - крайне капиталоемкий путь наращивания добычи нефти и газа и строительства новых объектов электрогенерации; При особом значении электроэнергии для функционирования всех секторов экономики дефицит ее имел бы тяжелые последствия. Однако финансирование строительства мощных электростанций - весьма дорогое мероприятие: электростанция мощностью 1000 МВт обойдется в среднем в 1 млрд долларов США. По этой причине производители и потребители электроэнергии оказываются перед выбором: либо вырабатывать требуемое количество электроэнергии, либо сокращать потребность в ней, либо решать обе задачи одновременно.
· второй - существенно менее затратный, связанный с обеспечением экономического роста в стране за счет повышения эффективности использования топливно-энергетических ресурсов.
Следует отметить, что на практике необходим симбиоз первого и второго вариантов с несомненным приоритетом энергоэффективности.
В настоящее время энергосберегающие технологии являются одним из ключевых направлений развития энергетической политики России. Так как экономика страны характеризуется высокой энергоёмкостью, необходимыми мерами по обеспечению экономии энергии являются: ликвидация технологической отсталости промышленности, оснащение предприятий новым энергосберегающим оборудованием, модернизация сферы ЖКХ, внедрение энергосберегающих технологий, привлечение в энергосбережение должного объема инвестиций, работа с населением, борьба с бесхозяйственностью в использовании энергетических ресурсов.
Ещё одним направлением, призванным в будущем заменить традиционные виды топлива, является переход на энергосберегающие технологии в рамках использования возобновляемых источников энергии, к которым относятся: твердая биомасса и животные продукты, промышленные отходы, гидроэнергия, геотермальная энергия, солнечная энергия, энергия ветра, энергия приливов морских волн и океана. Это даёт не только значительное уменьшение расходов на энергетические затраты, но и имеет большие экологические плюсы.
Энергосберегающие технологии позволяют относительно простыми методами госрегулирования значительно снизить нагрузку на государственный и федеральные бюджеты, сдержать рост тарифов, повысить конкурентоспособность экономики, увеличить предложения на рынке труда.
На современном этапе можно выделить три основных направления энергосбережения:
· Полезное использование (утилизация) энергетических потерь;
· Модернизация оборудования с целью уменьшения потерь энергии;
· Интенсивное энергосбережение.
Систематическая работа в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности в различных секторах и сферах экономики России началась после принятия федерального закона РФ от 23.11.2009 № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».
В 2010 году Минэнерго России совместно с ЗАО «АПБЭ», ООО «ЦЭНЭФ» и ФГУ «РЭА» разработало Государственную программу Российской Федерации «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года» («ГПЭЭ-2020»), которая была одобрена на заседании Правительства Российской Федерации 21.10.2010 и утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации от 27.12.2010 № 2446-р.
Программа призвана стать инструментом решения масштабной задачи по снижению к 2020 году энергоемкости ВВП на 40%.
Для реализации прописанных в Программе мероприятий необходимо привлечь финансирование из различных источников. Основными стимулами являются федеральные субсидии и льготы. Кроме этого, участники программы должны в обязательном порядке установить современные приборы учета и провести энергетические обследования. Поскольку инвестиционные проекты по энергосбережению и технико-экономическое обоснование мероприятий немыслимы без объективных данных учета и результатов обследования.
Решение задач, поставленных в рамках Программы, требует высокой степени координации действий не только федеральных органов исполнительной власти, но и органов власти субъектов Российской Федерации, местного самоуправления, организаций и населения. Содействовать этому будет Российское энергетическое агентство (РЭА), на которое приказом Минэнерго возложена функция оперативного управления Госпрограммой.
Потенциал получения прибыли от долгосрочных инвестиций в повышение энергоэффективности российской энергетики оценивается западными специалистами в 300 миллиардов долларов. Однако пока российские и западные инвесторы неохотно идут в этот сектор.
Их останавливает недоработанная нормативно-правовая база отрасли и отсутствие примеров практического применения энергоэффективных технологий. Потому Министерством принято решение развивать практику энергосервисных контрактов.
В российском ТЭКе - один из самых больших потенциалов в области энергоэффективности. В частности речь идет о серьезной модернизации распределительно-сетевого комплекса, где у нас по-прежнему наблюдаются значительные потери. При соответствующей модернизации их можно сократить в два раза.
Европейский Союз
Начиная с 1970-х гг. многие страны внедряли политику и программы по повышению энергоэффективности. Сегодня на промышленный сектор приходится почти 40% годового мирового потребления первичных энергоресурсов и примерно такая же доля мировых выбросов углекислого газа. Принят международный стандарт ISO 50001, который регулирует в том числе энергоэффективность.
Рисунок 1. Маркировка энергоэффективности Европейского союза
В общем объёме конечного потребления энергии в государствах ЕС доля промышленности составляет 28,8%, доля транспорта — 31%, сферы услуг — 47%. С учётом того, что около 1/3 объёма энергопотребления тратится на жилищный сектор, в 2002 году была принята Директива Европейского Союза по энергетическим показателям зданий, где определялись обязательные стандарты энергоэффективности зданий. Эти стандарты постоянно пересматриваются в сторону ужесточения, стимулируя разработку новых технологий.
Энергосервисные компании ЕС применяют линейку из 27 различных энергоэффективных технологий. Самым быстрорастущим сегментом является освещение — 22 % всех проектов связаны с заменой осветительного оборудования на энергоэффективное и мерами по управлению освещением. Кроме них внедряются системы энергоменеджмента (СЭнМ), исследуются поведенческие аспекты, применяется управление котлами, повышение их эффективности и оптимизация их режимов, внедрение изоляционных материалов, фотогальваники и др.
В развитых странах на строительство и эксплуатацию расходуется около половины всей энергии, в развивающихся странах — примерно треть. Это объясняется большим количеством в развитых странах бытовой техники. В России на быт тратится около 40–45% всей вырабатываемой энергии. Затраты на отопление в жилых зданиях на территории России составляют 350–380 кВт•ч/м² в год (в 5–7 раз выше, чем в странах ЕС), а в некоторых типах зданий они достигают 680 кВт•ч/м² в год. Расстояния и изношенность теплосетей приводят к потерям в 40–50% от всей вырабатываемой энергии, направляемой на отопление зданий. Альтернативными источниками энергии в зданиях сегодня являются тепловые насосы, солнечные коллекторы и батареи, ветровые генераторы.[8]
В 2012 году введён в действие первый национальный российский стандарт СТО НОСТРОЙ 2.35.4–2011 «”Зеленое строительство”. Здания жилые и общественные. Рейтинговая система оценки устойчивости среды обитания». Наиболее известными в мире стандартами такого рода являются: LEED, BREEAM и DGNB[de].
Энергосберегающие решения
Энергосберегающие технологии представляют собой комплекс мер и решений, направленных на уменьшение бесполезных потерь энергии. Это новый подход к технологическим процессам, характеризующийся более высоким коэффициентом полезного использования топливно-энергетических ресурсов.
Когда речь касается анализа энергоэффективности экономики, агрегирование (или, наоборот, дифференцирование) может происходить по видам энергии: электрическая, тепловая и т. д. Несмотря на то, что наибольший или, вернее, более доступный потенциал энергосбережения сосредоточен в использовании тепловой энергии, повышение эффективности использования электрической энергии, в том числе с точки зрения его менеджмента, представляет собой не менее важную задачу.
Электрическая энергия обладает неоспоримыми преимуществами перед всеми другими видами энергии. Ее можно передавать по проводам на большие расстояния со сравнительно небольшими потерями и несложно распределять между потребителями. Благодаря этому электрическая энергия является наиболее распространенным и удобным видом энергии. Она представляется уникальной с точки зрения универсальной применяемости, регулируемости и способности эффективно выполнять множество задач. Но главное достоинство состоит в том, что электрическую энергию с помощью достаточно простых устройств с высокой эффективностью можно превращать в другие виды: механическую, внутреннюю (нагревание тел), энергию света и т. д.
Потенциал повышения эффективности является экономически целесообразным исходя из срока окупаемости инвестиций, который не должен превышать 5 лет.
Использование электроэнергии в промышленности приходится в основном на три категории потребителей: привод, технологические процессы (в большинстве тепловые) и освещение.
Потребление электроэнергии приводом (электродвигатели) варьирует в достаточно широком диапазоне в зависимости от типа двигателей (постоянного тока, синхронные или индукционные), их мощности (размеров) и применения.
Хорошо зарекомендовали себя частотно-регулируемые электроприводы со встроенными функциями оптимизации энергопотребления.
Частота их вращения изменяется в зависимости от реальной нагрузки, причем зачастую не требуется менять стандартные электродвигатели, что позволяет уменьшить затраты на модернизацию, а экономия потребляемой электроэнергии достигает 30–50%. модернизации производств. Такие приводы особенно актуальны для создания энергосберегающего режима в работе механизмов, которые часть времени работают с пониженной нагрузкой: вентиляторы, кондиционеры, насосы.
Второй по величине потребитель, технологические процессы, обычно менее однороден, чем другие категории. Выделяют три основные подгруппы: электроэнергия, непосредственно генерирующая тепло; электрохимические процессы; электродуговые печи, используемые в основном в производстве чугуна и стали.
Электротермические процессы в странах потребляют менее 30% промышленного потребления электроэнергии (за исключением Швеции, где на их долю приходится до 37%).
Более трети всех энергоресурсов страны расходуется на отопление зданий. Без минимизации непродуктивных потерь тепла перечисленные энергосберегающие меры будут малоэффективны. Поэтому, в современном строительстве применяются технологии с использованием утепления стен, энергосберегающей кровли, энергосберегающих красок, современных стеклопакетов, экономичных систем обогрева.
Хороший энергосберегающий эффект дают новейшие котельные, где применение новых энергоносителей позволяет снизить затраты на обслуживание и существенно повысить КПД, а также перейти на использование более дешевого и экологичного топлива. При проектировании систем вентиляции применяют системы рекуперации (утилизации для повторного использования) тепла отработанного воздуха и переменной производительности приточно-вытяжных агрегатов в зависимости от числа людей в здании.
Доля освещения в общем потреблении электроэнергии промышленностью составляет 4-11%. Эффективность промышленного освещения в целом существенно выше и доля его в общем потреблении электроэнергии меньше, чем в жилищно-бытовом и социальном секторах.
Ещё одним видом эффективного применения энергосберегающих технологий является применение так называемого «умного» освещения. Такие энергосберегающие системы освещения позволяют снизить потребление электроэнергии в десять раз. Энергосберегающий эффект достигается тем, что свет включается автоматически и только тогда, когда он нужен.
Это достигается путем встраиваемого микрофона и оптического датчика, реагирующих на появление человека в помещении. К тому же, «умные системы» автоматически регулируют яркость свечения ламп, в зависимости от времени суток. Ещё одним решением в экономии электроэнергии является использование современных энергосберегающих ламп.
Электропотребление по этим трем категориям сильно зависит от таких характеристик, как структура промышленности, и не может обобщаться. Электронагрев, обеспечиваемый в основном печами электросопротивления или индукционными, используется в большинстве отраслей промышленности. Использование электричества, чтобы греть воду, совершенно нетипично для промышленности.
Использование электроэнергии для осуществления электрохимических процессов доминирует в производстве цветных металлов (прежде всего, выплавка алюминия). В силу высокой энергоинтенсивности алюминиевая промышленность занимает особое место в потреблении электроэнергии по сравнению с другими отраслями. Вместе с тем электрохимические технологии идентичны в большинстве отраслей промышленности и хорошо изучены. Пути дальнейшего повышения их эффективности понятны, но реализация сильно зависит от стоимости электроэнергии, которая в алюминиевой промышленности, например, составляет основную часть эксплуатационных расходов.
Электродуговые печи, технология, способная производить высококачественную сталь, увеличивают свою долю в производстве обычной стали. Причины этого роста включают возрастающую возможность использовать металлический лом, являющийся ее основным сырьем; рост количества высококачественной стали также востребован.
Основные составляющие энергосбережения следующие:
· равномерное распределение нагрузок по времени суток;
· применение высоких напряжений при передаче электроэнергии;
· применение трехфазной системы;
· равномерное распределение нагрузок по фазам трехфазной системы;
· внедрение глубокого ввода, размещение подстанций и распределительных устройств в центре нагрузки;
· использование качественной изоляции и своевременный контроль ее качества;
· использование качественных плотных электрических контактов;
· применение высокотемпературной сверхпроводимости;
· компенсация реактивной мощности (повышение cos f);
· внедрение экономичных источников электрического света;
· регулирование при необходимости светового потока источников электроосвещения;
· внедрение световодов естественного освещения;
· окраска в светлые тона, содержание в чистоте стен, потолков, пола помещений, а также осветительной арматуры;
· ограничение времени холостого хода и недогрузки электродвигателей и трансформаторов;
· качественная смазка механизмов;
· правильный выбор трубопроводов и качественные их сопряжения в вентиляционных, компрессорных и насосных системах;
· контроль качества рельсовых путей, ликвидация перекосов и заклинивания;
· качественная подготовка свариваемых деталей, очистка от грязи, предварительный нагрев (если это целесообразно);
· применение качественной сертифицированной электроаппаратуры;
· применение «Интеллектуальных систем управления электроустановками»;
· нормирование и учет электроэнергии.
Все большей популярностью пользуются энергосберегающие технологии основанные на применении альтернативных и возобновляемых источников энергии:
· использование солнечной энергии, которое осуществляется за счет специальных солнечных батарей и коллекторов, которые монтируются в кровлю домов или устанавливаются прямо на крыше, а также солнечными и фотоэлектрическими электростанциями;
· строительство современных гидроэлектростанций, в которых энергия текущих рек преобразуется в электроэнергию;
· применение биотоплива, которое получают из отходов древесины, производственных и бытовых отходов, высокоурожайных растений.
В будущем, по прогнозам специалистов, большую популярность приобретут энергосберегающие дома, в которых комфортная температура поддерживается зимой без применения систем отопления, а летом — без систем кондиционирования. Первые такие дома уже появились в некоторых городах России.
В условиях все более возрастающего дефицита основных энергоресурсов, повышающейся стоимости их добычи и современных экологических проблем внедрение энергосберегающих инновационных технологий является необходимым условием успешного развития экономики и сохранения окружающей среды. Также технологии энергосбережения решают многие проблемы в сфере ЖКХ и повышают эффективность производства.
Контрольные вопросы:
1. Назовите барьеры, сдерживающие развитие энергосбережения и энергоэффективности в России.
2. Принятие какого закона положило начало систематической работе в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности?
3. Назовите категории потребителей, на которые в основном приходится потребление электроэнергии в промышленности.
4. Какие мероприятия по энергосбережению в системе электроснабжения Вы можете назвать?
5. Какие мероприятия по энергосбережению в системе вентиляции Вы можете назвать?