 1 Роль енергії в розвитку людства і енергетичні ресурси світу.
Енергія є основою життя людського суспільства, і його прогресивний розвиток пов'язаний з безпосереднім зростанням енергоспоживання. Це споживання зросло протягом XX ст. більш ніж у 100 разів.
На порозі третього тисячоліття людство все більше усвідомлює свою відповідальність за збереження довкілля, за чистоту нашої планети. Науково-технічний прогрес, підвищення комфортності життя і пов'язане з ним зростання енергоспоживання — об'єктивні речі. Але це зовсім не означає, що вони мають досягатися будь-якою ціною. Використання лише традиційних джерел енергії (нафти, газу, ядерного палива) руйнує і забруднює землю, водні ресурси й повітря. Разом з тим, понад 1 кВт на кожний квадратний метр щосекунди постійно забезпечує нам удень світло невичерпного, екологічно бездоганного і загальнодоступного природного джерела — Сонця.
Досягнення світової технології вже зараз дають змогу використовувати його для вироблення електроенергії, вартість якої наближається до традиційної. Поряд інтенсивно розвиваються в багатьох країнах також вітроенергетика й енергетика біомаси, які споріднені сонячній. Сьогодні, без сумніву, основною економічною проблемою у світі є енергетична криза. Соціально-економічний розвиток кожної країни, зокрема України, залежить від теперішнього і майбутнього стану її енергетики.
Електроенергетика впливає не тільки на розвиток господарства, а й на територіальну організацію продуктивних сил. Будівництво потужних ліній електропередач дає змогу освоювати паливні ресурси незалежно від віддаленості районів споживання Розвиток електронного транспорту розширює територіальні межі цієї галузі промисловості. Достатня кількість електроенергії притягує до себе виробництво електросталі. алюмінію та інших кольорових металів, в яких частка паливно-енергетичних витрат у собівартості готової продукції значно більша порівняно з традиційними галузями промисловості. У ряді районів України (Донбас, Придніпров'я) електроенергетика визначає виробничу спеціалізацію їх, є основою формування територіально-виробничих комплексів.
За останні 200 років відбулися закономірні зміни у системі джерел енергії у США та інших розвинених країнах. Доки одні спалювали ліси, другі навчилися видобувати і використовувати викопне вугілля. Треті у боротьбі за ринок енергопослуг освоїли нафту, четверті — спорудили гідроелектростанції. З середини XX ст. розпочалося використання ядерної енергії.
Ситуація у світі з нафтою може видатися загрозливою, але це буде помилкове враження. Бо видобувачі працюють "ударно", та й геологи не марнують часу. Тому ось уже років з двадцять геологи "перемагають" і загальна кількість доведених запасів не зменшується, а повільно збільшується. Лишається ще чимало недостатньо досліджених зон у глибинах Землі, тому цей процес може тривати ще 10-20 років (або й більше, якщо вулкани й справді формують родовища нафти).
Якщо врахувати засекречування даних більшістю країн, то не буде помилкою стверджувати, що нафти і газу вистачить (враховуючи збільшення видобутку внаслідок зростання населення Землі) до середини XXI століття.
Що стосується вугілля нижчої якості і сланців з бітумом (не згаданих у табл. 10), то їхні прогнозні запаси у 3-4 рази більші, аніж вугілля, що ввійшло у таблицю. Проблемою є лише висока вартість їх видобутку і велике забруднення довкілля внаслідок спалювання.
Ще приблизніші дані про "найстратегічніші" енергоносії, якими є уран і торій. Експерти зазначають, з певними пересторогами, що за сучасних цін на електроенергію економічно вигідно використовувати лише частину родовищ з високим вмістом цих елементів. Те, що визнали окремі країни (Австралія, Канада, Намібія, Південно-Афри-канська Республіка, США та ін.), дає підстави стверджувати, що на основі сучасних типів реакторів (вони використовують енергію лише урану-235, якого менш як 0,7 % від усієї кількості цього елемента) з урану можна отримати приблизно стільки ж енергії, як з нафти і газу разом.
Якщо вже орієнтуватися на ядерну енергетику, то насамперед відразу потрібно застосовувати реактори-розмножувачі, які дають змогу перетворити на ядерне паливо весь уран і весь торій.
У кількох країнах тривалий час працюють експериментальні установки цього типу, тому цей шлях цілком реальний. У цьому разі запаси енергії у можливих для розробки родовищах цих елементів виявляться більшими від усієї енергії, нагромадженої за мільярди років у вугіллі, сланцях, нафті й газі.
Цікава обставина: Північна півкуля значно багатша на викопне паливо, ніж Південна (там і досі не знайдено жодного великого нафтового родовища). Причиною є те, що в момент накопичення органіки у прадавніх болотах тропіки розташовувалися в Європі, Сибіру, США і Канаді, їм і належить левова частка вугілля, нафти і газу.
2 Енергетика в Україні.
Україна має багату історію розвитку енергетичної промисловості, що започаткована ще в другій половині XVIII століття, коли почав працювати перший нафтопромисел у Передкарпатті. А в 1908-1909 роках на території Західної України видобуток нафти склав близько 2 млн. тонн на рік, що було на той час третім показником у світі після США і Росії.
Протягом свого розвитку вітчизняна енергетика зазнавала як могутніх злетів, що мали місце у вже згадані 1908-1909 рр., а також в 70-ті роки XX століття, коли видобуток вуглеводнів досяг пікових величин - 14,4 млн. тон нафти з конденсатом і 68,3 млрд. куб. м газу, так і різких падінь, особливо у 80-90 роки минулого століття.
Сьогодні енергетична промисловість України - це розгалужений потужний промисловий комплекс, який об'єднує понад 500 підприємств і організацій різних форм власності. Його складають 14 теплових електростанцій (ТЕС); 27 теплоелектроцентралей (ТЕЦ) загального користування, які входять до складу систем централізованого теплопостачання міст, та 243 промислових ТЕЦ; 4 атомні електростанції (АЕС); 8 великих гідроелектростанцій (ГЕС); майже 36 тис. км газопроводів; 4000 км магістральних нафтопроводів; 6 нафтопереробних заводів; понад 180 шахт та інше. В енергетичному комплексі України працює понад 800 тис. чоловік.
Це, а також той факт, що енергетика є своєрідною серцево-судинною системою економіки, зумовлює особливий інтерес до неї з боку держави та суспільства. А в Україні вона є не лише об'єктом їх зацікавленості, але й турботи. Це, передусім, викликано тим, що робота енергетичної галузі безпосередньо пов'язана з енергоресурсами, більшість з яких є невідновлюваними та обмеженими (нафта, газ, вугілля тощо). Відновлювані перспективні джерела енергії (сонячне випромінювання, енергію вітру, внутрішнє тепло Землі та багато іншого) людство або ще не вміє використовувати, або освоїло не в повній мірі. Відносно багата на паливно-енергетичні ресурси Україна не в змозі самостійно забезпечити себе енергоносіями.
Так, потреби України у природному газі складають до 80 млрд. куб. м, в нафті - 20-25 млн. тонн щорічно. У 2000 році власний видобуток склав 3.7 млн. тонн нафти з конденсатом і 18 млрд. куб. м газу. Це дозволяє задовільнити потреби України у нафті на 12 відсотків і в газі - на 24 відсотки. Решту (53% необхідних енергоносіїв) Україна повинна забезпечувати, закуповуючи енергоресурси (передусім, нафту, газ та пальне для атомних електростанцій) в інших країнах. При цьому її партнерами найчастіше виступають: по закупівлі нафти - Росія і Казахстан, газу - Росія і Туркменистан, ядерного палива - тільки Росія. Така однобока орієнтація української енергетичної промисловості у питанні забезпечення енергоносіями становить серйозну загрозу економічній безпеці та інтересам держави. Тому на перший план виходить вирішення проблеми диверсифікації (урізноманітнення) джерел енергопостачання.
Проте серед проблем енергетичної галузі не лише незначна кількість власних запасів нафти та газу, але й високий рівень енергоспоживання (технологічна відсталість енергоємних галузей, безгосподарність, крадіжки та інші чинники призводять до того, що на створення кожної гривні національного багатства витрачається у 2-3 рази більше пального, ніж у розвинутих країнах), неплатежі за спожиті тепло, світло, інші ресурси, зношеність виробничих потужностей, яка досягла загрозливого рівня (за окремими підрахунками - 60-65%), та інші.
Внаслідок впливу перелічених проблем в Україні, яка має потужну енергетичну промисловість, не працюють сотні підприємств, населення потерпає від перебоїв постачання електроенергії та газу, погано опалюються помешкання тощо.
Тенденції розвитку енергетики в світі та Україні.
Розглядаючи перспективи розвитку українського паливно-енергетичного комплексу (ПЕК), важливо звернути увагу на найважливіші закономірності і тенденції розвитку світової і національної енергетики. Необхідно усвідомити та осмислити нові закономірності, ефективно їх використати. Однією з таких закономірностей є глобалізація.
Аналіз розвитку світової енергетики у різних країнах виявив хвильовий, циклічний характер їх розвитку з періодом, який приблизно становить 50 років. Період такого циклу характеризується фазами відновлення, активним та ефективним розвитком, взаємообумовленим стійкою економічною системою, початок якої було покладено однією чи декількома базовими інноваціями. Кінець XX століття можна охарактеризувати кризою чергового технологічного укладу, що був установлений у 50-ті роки і майже вичерпав свої можливості.
XX століття характеризувалося безперервним і значним зростанням виробництва і споживання енергоресурсів. З 1900 по 2000 р. світове споживання первинних енергоресурсів (у перерахуванні на умовне паливо) зросло більш ніж у 17 разів. Істотні зміни відбулися в структурі світового споживання енергоресурсів. Так, доля нафти збільшилася з 3,8 % у 1900 р. до 38.2 % у 2000 р., а природного газу зросла з 1,4 до 24,0%. Частка вугілля, незважаючи на значний ріст абсолютних об'ємів його споживання, знизилася з 94,4% у 1900 р. до 24,9% у 2000 р. Що стосується поновлюваних джерел енергії (в основному ГЕС), то їхня частка у загальному споживанні за минуле сторіччя збільшилася з 0,4 майже до 6 %. Близько 7 % світового споживання енергії в 2001 р. забезпечувалися АЕС. Стійкою тенденцією в структурі світового енергоспоживання в минулому сторіччі стало зростання частки нафти та газу. При цьому протягом останніх десятиліть найбільшою динамікою характеризувалося споживання природного газу. З 1950 по 2001 р. його споживання зросло в 13,5 раза, тобто більш ніж у два рази випереджало динаміку світового споживання нафти й у 5,6 раза перевищило ріст загальносвітового споживання вугілля. Зміни у світовому споживанні первинних джерел енергії у різних країнах і регіонах відбувалися неоднаковими темпами. Однією з головних тенденцій у перерозподілі споживання енергії між регіонами світу було неухильне зростання частини країн, що розвиваються. Якщо у 1950 р. на них приходилося 6 % світового споживання первинної енергії, то вже у 2001 р. - більше третини. Ці країни у новому столітті, на думку багатьох експертів, в основному і будуть забезпечувати світовий економічний ріст (за прогнозами, на їхню частку буде припадати 56-74 % створюваного багатства), чинять все зростаючий вплив на динаміку і структуру світового енергоспоживання і міжнародної торгівлі енергоресурсами.
Стратегічним орієнтиром постійного розвитку енергетики в XXI столітті є оптимізована комплексна збалансована система чотирьох "Е": енергетика -економіка - енергоефективність - екологічна сумісність.
Головними критеріями ефективної енергетичної стратегії та енергетичної політики у світі в цілому та Європейському Союзі і Україні мають бути надійність та безпека енергопостачання, екологічна сумісність і рентабельність.
Структурні зміни, що відбувалися у світовому споживанні енергоресурсів в умовах їхнього нерівномірного розміщення призвели, зокрема, до таких тенденцій, які багато в чому будуть визначати характер міжнародної торгівлі енергоносіями:
- зростання міжнародної торгівлі паливно-енергетичною сировиною;
- посилення залежності багатьох країн і регіонів світу від імпорту паливно-енергетичних ресурсів (ПЕР);
- загострення конкурентної боротьби на світовому ринку енергоносіїв, у тому числі між експортерами й імпортерами енергетичної сировини;
- підвищення ролі ПЕР у відтворенні сукупного світового продукту і забезпеченні переходу світового співтовариства до стійкого розвитку.
В останні десятиліття неухильно зростає залежність економічного прогресу від імпорту енергоносіїв і в регіонах, що розвиваються. Сьогодні з більш ніж 150 таких країн світу лише три десятки є нетто-експортерами паливно-енергетичної сировини, інші так чи інакше залежать від імпорту енергоресурсів. Високі темпи зростання населення, урбанізація, розвиток транспорту, індустріалізація, яка охопила світ, обумовлюють випереджальну динаміку споживання енергоресурсів державами, що розвиваються, у порівнянні з промислово розвинутими країнами (у 1990-2001 рр. коефіцієнт випередження складав 1,3). При збереженні цієї тенденції доля цих країн у світовому енергоспоживанні в доступній для огляду перспективі буде зростати. За прогнозами експертів МВФ, у 2020 р. на країни, що розвиваються, буде приходитися 46 % світового енергоспоживання (проти нинішніх 34 %), у тому числі: 36,7 % природного газу, 45 % нафти, 64,5 % вугілля.
Енергетична складова залишається одним з наріжних каменів не тільки в індустріальній економіці, але й у "новій економіці", у тому числі країн Європи, Японії, США, а регіонам і країнам-експортерам паливно-енергетичних ресурсів надається ключове місце в зовнішньоекономічній політиці цих держав. У даний час є багато прогнозів розвитку світової енергетики. В роботах, підготовлених Всесвітньою енергетичною радою, наприклад, представлено шість сценаріїв розвитку світового енергетичного господарства, виходячи з різних темпів економічного зростання (швидкий, середній і "eкoлoгiчний") та домінуючих джерел постачання первинною енергією (горючі копалини у всіх формах, відновлювані джерела й атомна енергія). Згідно з цими сценаріями, світове споживання енергії у 2050 р. складе від 14 до 25 гігатонн нафтового еквіваленту (Гт н. е.), що свідчить про невизначеність прогнозів, які особливо стосуються внеску кожного джерела енергії в енергетичний баланс з варіюванням у співвідношенні 1:5. Однак при всій гостроті дискусій щодо шляхів розвитку світової енергетики більшість фахівців погоджується з тим, що майбутнє поновлюваних джерел енергії досить невиразне і їхня роль (за винятком гідроенергії) залишиться незначною, а прискорений розвиток атомної і гідроенергетики, а також нарощування об'єму вугілля у світовому виробництві і споживанні енергоносіїв наштовхуються на зростаючі економічні, соціальні, транспортні й екологічні проблеми не тільки локального і регіонального, але і планетарного масштабу. Тому, незважаючи на поступове виснаження запаси легкодоступної нафти і газу, у найближчі 15-20 років вони залишаться основними джерелами задоволення потреб світового співтовариства в енергії. Залишається актуальним створення умов для стабільної і надійної міжнародної торгівлі даними енергоносіями. Для цього найбільші нетто-імпортери вуглеводневого палива готові докладати зусилля у найрізноманітніших формах - від технічного сприяння і фінансової допомоги зацікавленим країнам в розвитку енергетичного сектора до використання силових методів вирішення спірних проблем. У свою чергу країни нетто-експортери нафти і газу виступають немов би в ролі "енергетичної подушки", згладжуючи нестабільність світового господарського розвитку і створюючи необхідний резерв часу для відновлення технології і методів заміни вуглеводнів альтернативними джерелами енергії.
Енергетика України на період до 2030 p., як і раніше, буде значною мірою орієнтуватися на світовий ринок енергоресурсів, особливо на європейський та євразійський. Значну роль у цих відносинах відіграватимуть Росія і Західна Європа та їх співробітництво. У перспективі, все більшу роль буде відігравати Каспійський регіон як альтернативне джерело енергоресурсів для України, яка має достатні можливості для активної участі в процесі розвитку інтеграції енергетичних (електроенергетичних, трубопровідних) систем та інфраструктури транспорту енергоносіїв при створенні європейського та європейсько-азіатського енергетичного простору. Дуже важливо проводити активну та продуману політику щодо забезпечення місця України в формуванні транспортних коридорів. Особливо актуально для України увійти в світ транснаціональних корпорацій, які є основним шляхом ефективної участі в глобальних енергетичних процесах.
Навчальний посібник розкриває складові енергетичної стратегії України. Він може бути корисним студентам спеціальності „Енергетичний менеджмент”, а також аспірантам та науковцям, які працюють у сфері паливно-енергетичного комплексу.
В останні десятиліття у світовій економіці спостерігалася тенденція до зростання виробництва і споживання енергії за рахунок непоновлюваних енергоресурсів органічного походження. Нині забезпечення енергоресурсами світової економіки досить стійке завдяки значним запасам викопного палива, відносно невисокому рівню світових цін, досягненням в галузі більш раціонального використання енергії, а також застосуванню ринкових регуляторів (особливо в розвинених країнах). Після світової енергетичної кризи (1973 р.) підвищилася ефективність використання енергії, що сприяло зниженню енергоємності виробництва. Так, із середини 70-х до початку 90-х років енергоємність одиниці ВВП у розвинених країнах знизилася на 22%, а нафтоємність - на 38%. Ріст інвестицій в енергозбережувальні технології забезпечив питоме скорочення споживання енергії в промислово розвинених країнах, що сприяло зменшенню негативного впливу на навколишнє середовище. Кризові явища у світовій енергетиці, що виявилися в останні роки, можуть сприяти подальшому зростанню інвестицій в енергозбереження і зміні структури енергоспоживання. У 70 - 90-і роки XX ст. структура енергоспоживання в глобальному масштабі і на національному рівні істотно змінилася,виробництво енергії за рахунок використання водяних і ядерних джерел зросло в останні десятиліття майже в три рази (наприкінці 2001 р. у світі експлуатувалося 68 атомних електростанцій, на яких діяли 427 атомних енергоблоків і 40 установок монтувалося), але базисом енергетики залишаються викопні види палива.
Поновлювані джерела, такі як енергія сонця, вітру, а також біо- і геотермальна енергія і деякі інші, поки що не внесли кардинальних змін у структуру світового енергобалансу, частка нових чи альтернативних джерел енергії (крім гідроелектроенергії) усвітовому виробництві до 2020 р. складе близько 2%.
Енергетика теплових електростанцій майбутнього.
Однак головним недоліком Енергостратегії-2030 є концентрація не на оптимізації споживання, а на збільшенні виробництва енергії. У той час, коли розвинені країни світу намагаються підвищити ефективність використання існуючих генеруючих потужностей, в Україні хочуть збільшити їхню кількість.
Програмуємо дисбаланс паливно-енергетичного комплексу?
Отже, проект оновленої Енергостратегії пропонує розвиток атомної енергетики як одного з основних джерел енергії. При цьому не враховується, що значне нарощування генерації на АЕС може призвести до розбалансування всієї електроенергетичної системи країни. Структура встановлених потужностей з часу здобуття Україною незалежності майже не змінилася, проте зазнала змін структура виробництва електроенергії. Якщо 1990 року атомні електростанції виробляли близько 26% всієї електроенергії, то 2010-го частка виробництва електроенергії на АЕС збільшилася майже до 50%.
Пріоритетність, що надана АЕС, полягає у значному адміністративному стримуванні занижених тарифів на вироблену АЕС електроенергію порівняно з тарифами для теплових електростанцій. Штучно створені умови, коли майже 50% усієї електроенергії виробляється 26% встановленої потужності, призвели до різкого погіршення економічних, а згодом і технічних показників теплових електростанцій. Неефективне використання наявних потужностей ТЕС призводить до значних перевитрат палива, зносу обладнання, посиленого навантаження на навколишнє природне середовище.
Як зазначається в «Огляді енергетичної політики України за 2006 рік», обладнання ТЕС застаріле та пошкоджене через недостатнє фінансування, а деякі елементи взагалі було розібрано для ремонту інших станцій. Більш того, за оцінками Світового банку, чверть усієї встановленої потужності ТЕС України недоступна для використання, хоча експлуатуючі компанії продовжують її враховувати (див. рис. 2).
Дисбаланс в Об’єднаній енергосистемі України також пояснюється тим фактом, що за часів незалежності не було введено в експлуатацію жодного блока на ТЕС, проте було добудовано три блоки на АЕС (шостий блок Запорізької, другий Хмельницької та четвертий Рівненської АЕС). Це спричинило також покладання на українські АЕС непритаманних їм завдань. Збільшення потужностей на АЕС унаслідок введення в експлуатацію нових блоків з одночасним зменшенням виробництва електроенергії на ТЕС призвело до вичерпання регулюючих потужностей енергосистеми. Внаслідок цього диспетчерська служба почала з допомогою атомних блоків регулювати частоту в електромережі, а АЕС використовувати не на повну потужність. Отже,забезпечення регулюючих потужностей в енергосистемі України стає важливим чинником безпечної експлуатації АЕС.
Вугілля: «Мы за ценой не постоим»?..
У той час, як провідні країни Євросоюзу планують скорочувати використання вугілля для енергопотреб, Україна поставила за мету вдвічі збільшити видобуток і використання вугілля. Це другий пріоритет оновленої Енергостратегії-2030. Незважаючи на те, що галузь докладає всіх зусиль для збільшення видобутку вугілля, висока смертність на шахтах, відсутність інвестицій на модернізацію обладнання та непрозорість загалом зводять нанівець усі рапорти про підвищення видобутку. Серія нещодавніх аварій на шахтах з великими людськими втратами яскраво демонструють ціну цього збільшення. Державні субсидії у вугільну галузь збільшуються щороку, проте шахти й досі перебувають в аварійному стані, а показники смертності на шахтах України засвідчують невтішну тенденцію. Реструктуризація вугільних підприємств відбувається із затримками. У ситуації, коли відпускна вартість тонни вугільної продукції майже на 300 грн. менша, ніж її собівартість, про здорову конкуренцію та модернізацію вуглевидобутку взагалі можна забути.
Попри державні субсидії, вітчизняна вугільна промисловість є збитковою. Так, 2008 року «вугільні» субсидії становили майже 7,5 млрд. грн. (3% держбюджету). Причому левову частку фінансування було спрямовано на компенсацію різниці між ціною продажів і собівартістю вугілля. Чи не було б доцільніше ті самі гроші спрямувати на підвищення енергоефективності економіки України та на перепрофілювання і розвиток «вугільних» регіонів України?!
Дехто пропонує замістити газ, підвищуючи споживання вугілля. Але це традиційний радянський підхід, орієнтований на збільшення кількості, але не якості: нарощування генерації замість більш раціонального використання тих ресурсів, що ми зараз маємо.
Втрати в мережах як можливе джерело енергозбереження
Повертаючись до електроенергетичного питання, варто зазначити, що нераціональне ставлення до виробництва і споживання енергоносіїв призводить до колосальних втрат і у мережах. Хоча за розумного підходу це може стати одним із найбільших джерел для зменшення залежності від зовнішніх поставок енергоресурсів. Так, тільки у 2010 році обсяги втрат електроенергії у мережах загального користування перевищили її споживання підприємствами та сільським господарством, разом узятими. За грубими розрахунками, доведення рівня втрат у мережах до рівня європейських країн дасть можливість вивільнити доступні обсяги електроенергії, що еквівалентні річному виробництву двох атомних енергоблоків.
На жаль, діюча Енергетична стратегія концентрується переважно на розбудові нових магістральних ліній електропередачі, покликаних сприяти експорту електроенергії, а не на модернізації низьковольтних розподільчих мереж (див. рис. 3).
Саме енергозбереження та раціональне споживання паливно-енергетичних ресурсів має бути основним завданням оновленої Енергостратегії України на період до 2030 року. Яскравим прикладом впровадження комплексних енергозберігаючих заходів є Румунія, яка до цього року імпортувала значні обсяги електроенергії з України. Енергоефективна політика, що її здійснював румунський уряд, допомогла повністю відмовитися від імпорту електроенергії.
Пріоритетом має стати стимулювання енергозбереження
За п’ять років існування Енергетичної стратегії-2030 Україна так і не наблизилася до подолання основних ризиків і загроз в енергетичній галузі. Енергоспоживання підприємств і досі зашкалює. Втрати в мережах перевищують споживання цілих секторів народного господарства. Технічні фонди на ТЕС перебувають у катастрофічному стані, що загрожує стабільній роботі Об’єднаної енергетичної системи України.
Питання раціонального та ефективного використання енергії не є питанням вибору для України — це питання виживання. Якщо країна й надалі розвиватиметься, віддаючи перевагу збільшенню виробництва енергії, а не більш раціональному її використанню, то Україна ризикує опинитися на задвірках економічного розвитку. Надмірне споживання всіх видів енергоносіїв та електроенергії закріплює стагнацію народного господарства й економіки України.
Досвід європейських країн свідчить, що інвестиції та розвиток енергоефективних технологій і відновлюваних джерел енергії можуть дати поштовх для інноваційного розвитку держави, підвищення конкурентоспроможності її промисловості на зовнішніх ринках, допоможуть значно знизити тиск на навколишнє середовище та на гаманці населення. Крім того, це дасть можливість створити тисячі нових робочих місць, особливо в депресивних регіонах.
У той час, як країни Євросоюзу шукають резерви для економічного розвитку, Україна має всі можливості для потужного ривка у розвитку. Для цього потрібні чітка, послідовна політика держави, сфокусована на зменшенні енергоспоживання та зниженні енергоємності економіки, а також інтенсивний розвиток відновлюваних джерел енергії.
Політика ощадливого використання енергії має стати пріоритетом розвитку держави. Для цього потрібно запровадити дієві ринкові механізми стимулювання енергозбереження для всіх споживачів. Принцип сталого розвитку потребує політичної волі, суттєвої зміни нормативно-правової бази, створення інвестиційно сприятливого клімату та усвідомлення кожним громадянином, кожним суб’єктом господарських відносин своєї відповідальності перед іншими та природою.
Сконцентрованою основою цієї політики тотального енергозбереження має бути Енергетична стратегія України-2030, розроблена з урахуванням національних, а не виключно корпоративних інтересів. Це наш шанс долучитися до розвинених країн та побудувати економіку держави за принципом сталого розвитку, і ми не повинні цей шанс втратити.
5. Енерговикористання та енергоощадження в Україні.
Енергію можливо використати у двох видах: у вигляді теплоти й роботи Робота5 є вищою формою енергії, оскільки її можливо повністю перетворити е теплоту, тоді як зворотне неможливо. Тільки частину теплової енергії, що міститься в рідині6, можливо перетворити в роботу в замкнутому круговому процесі, що залежить від наступних факторів:
а) початкового й кінцевого станів рідини;
б) термодинамічного к.к.д. процесу7.
Задана маса дуже гарячої рідини (наприклад, водяної пари) може виконати більш роботи, ніж холодна рідина, навіть якщо маса останньої така, що в ній утримується достатня кількість енергії стосовно енергії довкілля. Горючий газ можливо використати для приведення в дію турбіни або для обігріву приміщення; у той час повітря при 50°( може обігрівати приміщення, але його температура недостатня для роботи турбінв Отож, горючий газ не доцільно використовувати для обігріву приміщень, для цього вигідніше використовувати рідини, ексергія яких невелика, наприклад нагріту сонцем воду або відпрацьовану пару турбіни. Саме тому рідини з високою температурою або палива, продукти згоряння яких мають високу температуру, є ціннішими у порівнянні тими, які вибрані тільки за їх ентальпією. Мірою цінності таких речовин є ексергія, з; допомогою якої їх можливо порівняти із електричною чи механічною енергією, здатною безпосередньо перетворюватися в роботу.
Для ілюстрації терміну збереження ексергії розглянемо енергетичну уставу, ще працює на нафті й постачає місцевість електроенергією. Нехай житлові будинки на цій місцевості також обігріваються нафтою. За характером кругообігу рідини на робочому циклі енергоустави тільки близько 35% енергії палива можливо перетворити в електроенергію, решта розсіюється в довкілля та є втраченою. Якщо втрачену теплоту енергоустави можливо було б використати для обігріву житловго будинків, то це дозволило б заощадити еквівалентну кількість палива. Але, якщо і будинки обігрівали електрикою, виникла б значно гірша ситуація - енергоустави повинна була б витрачати приблизно втроє більше палива.
Використання палива тільки для обігріву призвело б до втрати утримуваної ним енергії, яка в робочому циклі енергоустави складає 35% енергоємності палива Використання ж електроенергії тільки для обігріву призвело б до втрати 100% утримуваної енергії. Електроенергію вигідніше використати для приведення в дію двигунів або живлення електроприладів. За оцінкою джерел енергії на основі ексергії можливо ефективніше їх застосовувати й зрештою заощадити енергію.
Процеси, в яких використовується або перетворюється енергія, також можна оцінити, виходячи з того, наскільки ефективно в них зберігається енергія. Всі процеси підвладні фізичним обмеженням, наприклад наявності тертя. Проте деякі процеси теоретично досить ефективні тоді як інші неефективні. Якщо фізичні обмеження можливо лише звести до мінімуму шляхом ретельного виготовлення вузлів системи тощо, то процеси, які не ефективні по своїй природі, можливо в деякій мірі уникнути. В дійсності більшість процесів роблять неефективними щоб з їх допомогою була можливість управління : наприклад гальма використовують для керування авто. Деяку частину таких втрат можна уникнути повністю, але в більшості лише зменшити. Але постановці задачі повинна передувати вивчення поняття термодинамічної неефективності.
6. Основні напрямки енергоощадності на промислових підприємствах.
Імовірно, найбільші можливості для економії енергії в промисловості полягають у багаторазовому використанні енергії. Рідини, що мають у якій-небудь установці найбільші температури й тиски, містять також найбільшу кількість відносної роботи виконаної над ними. Тому їх варто використати для приведення в дію двигунів, у яких відбувається розширення робочого тіла,(турбін), щоб використати принаймні частину роботи, що втримується в робочому тілі, і перевести її в кінетичну енергію для насосів і компресорів або для генерування електроенергії. Але, замість того щоб відводити робоче тіло в конденсатор, варто використати тепло що втримується як технологічне тепло. В установці зі встановленим енергетичним балансом не повинна споживатися електроенергія й не повинна конденсуватися пара над холодною водою або в холодному повітрі.
Необхідно коротко пояснити останнє твердження. Якщо установка споживає електроенергію, то цю електроенергію генерує, імовірно, конденсаційна парова турбіна. Оскільки енергетична установка робить тільки роботу й скидає тепло, її загальний к.к.д. не може бути таким же високим, як к.к.д. в установці, у якій використаються й робота, і тепло. Але якщо технологічне устаткування споживає більше роботи, ніж тепла, і не споживає електроенергію, то необхідно конденсувати або випускати низьконапірну пару. Коли попит на тепло перевищує попит на роботу, можна забезпечити одержання додаткової кількості тепла, роблячи електроенергію й поставляючи її споживачам, не здатним самостійно її робити. Проблема енергетичного балансу між роботою й теплом докладно розглядається в розділі 3. Тут же досить зробити висновок, що роботу по можливості варто використовувати із джерела енергії високого рівня.
Із цього погляду спалювання палива тільки для одержання тепла несумісне із завданням збереження енергії. Крім того, при перетворенні енергії в тепло, як у випадку електричного омічного нагрівання, недоцільно, і його треба по можливості уникати.
Перетворення тепла в механічну роботу, а потім в електроенергію - найбільш очевидний приклад використання тепла, але він далеко не єдиний. У промисловості є багато різноманітних операцій, що споживають енергію, хоча вона й не помітна в продуктах виробництва. Цю ідею ми згадували раніше при розгляді ентропії процесу змішання. Продукти, що виходять із сепараційного агрегату, у загальному випадку мають такуж енерговмістимість, як і вихідна сировина, але через те, що вони чистіше, їхня ентропія менше. Ентропія продуктів зменшилася через збільшення ентропії теплоносія, використаного для здійснення операції.
Оскільки енергія, що споживається й виділяється в технологічному процесу, власне кажучи, однакова По величині, її можна використати повторно, але це залежить від температури енергоносія. Така методика давно вже застосовується при багатоступінчастому випарюванні концентрованих розчинів. На першому щаблі тепло виділяється внаслідок конденсації водяної пари, що гріє.
Рис. 1. Багатоступінчастий випарний апарат, у якому багаторазово використається та сама енергія.
Потім вторинна пара, що утвориться при випарюванні розчину на першому щаблі, икористається як теплоносій на другому щаблі й т.д. (мал. 1.6). У найбільш типових установках є три щаблі: водяна пара, що спочатку гріє, подають при тиску, наприклад, 137 кПа на першому щаблі й на наступних щаблях утвориться пара при тиску 68,7, 34,3 й 13,7 кПа. На останньому щаблі заданий абсолютний тиск підтримують, за допомогою охолоджуваного водою конденсатора; не сконденсовані гази відкачують вакуумним насосом.
Звичайно розчин буває водним. Тоді відношення маси вторинної водяної пари до маси водяної пари, що гріє, трохи менше, ніж число щаблів, внаслідок того що втрати тепла й питома теплота паротворення зі зменшенням тиску зростають. При заданих тиску подачі водяної пари, що гріє, і температурі охолоджувача, числа щаблів а отже, перетворення водяної пари, що гріє, у вторинну водяну пару, отриману при випарюванні розчину, визначаються перепадом температури на кожній поверхні, через яку відбувається передача тепла. Якщо зменшити перепади температури, збільшивши поверхні теплообміну, то можна збільшити число щаблів й, отже, одержати більшу економічність. До різниці температур обумовлені не тільки потоком тепла, але також й підвищенням температури точки кипіння через наявність твердих домішок, статичним тиском і швидкісним напором. Ці практичні міркування визначають оптимальну поверхню теплообміну а отже і число щаблів.
Якщо подавати водяну пару, що гріє, при високому тиску, то число щаблів а, отже, економічність системи можна істотно збільшити. Цю процедуру не можна продовжувати нескінченно, тому що багато продуктів досить чутливі до температури.
Проте при використанні водяної пари з дуже високим тиском можна проектувати набагато більше щаблів випарювання, ніж при використанні водяної пари з низьким тиском. Це показує, що для одержання водяної пари низького тиску шляхом, спалювання палива може знадобитися значно більше палива, ніж для одержання пари високого тиску.
Якщо середній перепад температури на кожному щаблі становить 18°С, то на водяній парі при тиску 137 кПа може працювати ступінчастий випарний апарат, описаний вище. Нехтуючи втратами тепла, знаходимо, що 1 кг водяної пари може випарувати 2,88 кг води з розчину. Якщо апарат забезпечується парою при тиску 962 кПа, то можна використати сім щаблів. Тоді, нехтуючи втратами тепла, знаходимо, що 1 кг водяної пари може випарити 6,37 кг води з розчину. Хоча втрати тепла й інші причини можуть зменшити привабливість такого методу, наведений приклад демонструє цінність водяної пари високого тиску.
Застосувати принцип багато ступінчастості до інших процесів не так просто. Паралельні дистиляційні колони можуть працювати при різних тисках, так що тепло, що скидає однією колонією, можна повторно використати для випарювання в наступній колоні. Ступінчасте використання енергії можна застосовувати також у прямому або зворотньому напряму при послідовній перегонці багатокомпонентної суміші. Ці приклади докладно розглядаються у відповідних розділах книги. Тут же зроблений наголос на те, що в багатьох загальних технологічних процесах енергію можна використати повторно, і дане достатнє попереднє обґрунтування необхідності високо потенційної енергії й регулюючих пристроїв для координації її багаторазового використання. Процеси теплообміну необхідно робити при максимальній оборотності, тобто при мінімальному перепаді температур. Регулюючі пристрої не повинні заважати досягненню цієї мети.
7.Ексергія й ентропія. Зворотні та незворотні процеси.
Енергію можливо використати у двох видах: у вигляді теплоти й роботи Робота5 є вищою формою енергії, оскільки її можливо повністю перетворити е теплоту, тоді як зворотне неможливо. Тільки частину теплової енергії, що міститься в рідині6, можливо перетворити в роботу в замкнутому круговому процесі, що залежить від наступних факторів:
а) початкового й кінцевого станів рідини;
б) термодинамічного к.к.д. процесу7.
Ентропія (з грец. entropi'a - поворот, перетворення) - функція стану термодинамічної системи, міра внутрішньої невпорядкованості системи, зміна якої в рівноважному процесі дорівнює відношенню кількості теплоти переданої системі або відведеної від неї, до термодинамічної температури системи. Нерівноважні процеси в ізольованій системі супроводжуються ростом ентропії, вони наближають систему до стану рівноваги, при якому ентропія максимальна.
Ексергія ( з грец. ек, ех — префікс, який означає високий рівень, і ergon — робота) — максимально можлива робота, яку може виконати термодинамічна система при переході із даного стану в стан рівноваги із навколишнім середовищем. Ексергією іноді називають працездатність системи.
Процес, у якому стан рідини змінюється завдяки прикладеній роботі й у якому рідина, повертаючись у початковий стан, може виконати таку ж кількість роботи, називають оборотним . Прикладом оборотного процесу є процес в ідеальному компресорі9, що працює на ідеальному газі10. Робота, прикладена до компресора підвищує тиск і температуру газу. Якщо система досконала, тобто в ній немає тертя або втрат теплоти, розширення газу може виконати таку ж роботу, яка була витрачена на його стиснення.
Ексергія оборотного процесу визначається за формулою:
де Wa - ексергія; QR - відведена теплота; - різниця ентальпій11.
Необоротні процеси характеризуються вільним рухом і переходом від порядку до безладу. Будь які втрати енергії, при яких не відновлюється робота є необоротними. Рух завжди спрямований від більш високого рівня до низького. Якщо при цьому русі відновлюється робота, то прикладаючи роботу, потік можливо повернути, принаймні, частково. Але якщо з потоку робота не виділяється, то процес повністю необоротний.
Всі процеси, у яких відбувається рух до стану рівноваги без виконання роботи, є необоротними.
8.Змішування - незворотний процес
Процесом, зворотним поділу, є змішування. Якщо для поділу потрібна робота то при всякому з'єднанні рідин, що мають різні склади, втрачається деяка кількість роботи. Ці втрати роботи можна визначити за ентропією змішування.
1.2.1. Ентропія суміші
вираз для ентропії суміші ідеальних газів:
де S — ентропія одного моля суміші, F — число молів суміші, Fі — число молів і-го компонента суміші, Ср - питома теплоємність і-го компонента при постійному тиску, Т - абсолютна температура, R - газова постійна; pі - парціальний тиск і-го компонента. В суміші ідеальних газів мольна частка xі кожного компонента являє собою відношення його парціального тиску pі до загального тиску p. Тоді в (1.15 можна підставити наступне співвідношення:
Тоді одержуємо:
Далі, число молів кожного компонента Fі дорівнює його мольній частці, що помножена на повне число молів суміші:
Після підстановки (1.18) в (1.17), знаходимо наступне:
Внесок самого складу суміші в її ентропію виділяється шляхом оцінки ефектів змішування в умовах постійної температури й тиску:
У той час як максимум ентропії досягається для еквімолекулярної бінарної суміші, зміна ентропії залежно від складу найбільш сильно виражено при наближенні до чистого продукту. Вираз (1.20) для бінарної системи має вигляд:
Диференціюючи його, одержуємо:
У табл. 1.1 ця похідна обчислена для умов, що відповідають наближенню до абсолютно чистого продукту. Співвідношення (1.22) характеризує роботу, яку потрібно зробити для поліпшення чистоти продукту, а також показує, наскільки легко забруднити продукт.
Таблиця 1.1 Зміна ентропії бінарної суміші залежно від ступеня чистота
 Багатокомпонентні суміші не можна настільки ж просто описати графічно, як бінарні системи, тому що вони мають багато ступенів вільності. Проте вплив додаткових компонентів можна спостерігати, розглядаючи максимальне значення функції - в еквімолекулярних сумішах
|