Нетрадиционные варианты энергосбережения

Главная страница        >> Новый интеллектуальный опыт.
 
 
Г.Б. Осадчий,
директор-главный конструктор (Конструкторское бюро альтернативной энергетики «ВоДОмет», г. Омск)
 

Дефицит энергоресурсов в России обусловлен не только тем, что у нас самая холодная в мире зима (минус 5,5 °С) и большие расстояния до мест добычи энергоносителей, но и потому, что современные системы жизнеобеспечения жилья, сельского хозяйства, строительства и малого производства не используют, в частности, для энергосбережения при эксплуатации стационарных энергогенерирующих установок и систем тепловые приводы и резкие сезонные колебания температур, достигающие 50-70 °С, а базируются в основном на технологиях времен всеобщей индустриализации страны (первой половины прошлого века).

Значительные финансовые ресурсы, большое количество топлива, а значит и электроэнергии расходуется из-за того, что разнообразные потребители топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) в прошедшие годы были переориентированы на использование технологий с применением в качестве универсального вида энергии - электрической энергии.

Централизованное производство электрической энергии с использованием ее для совершения у потребителя необходимых ему видов работ по жизнеобеспечению зданий и производства было выгодно только с экономической точки зрения, когда электрическая энергия отпускалась по льготным тарифам и электрические сети содержались в удовлетворительном состоянии, так как для объектов с низкими объемами потребления, где невозможна унификация, это упрощало номенклатуру, в частности механизации, теплохладогенерирующего и теплохладоиспользующего оборудования.

В настоящее время, когда россиянам уже не гарантируется надлежащее электроснабжение и цены на электроэнергию резко возросли, необходим уже не только с экологической, но и с экономической точек зрения переход на использование более дешевых видов энергии с резким сокращением потребления самой высоколиквидной электрической энергии.

Известно, что в процессе добычи, производства, транспортировки, хранения, потребления органических энергетических ресурсов, на всех перечисленных последовательных этапах продвижения энергии первичных источников и на всех ступенях использования энергии в материальном производстве и сфере услуг в целом теряется около 90% энергии по сравнению с первоначальным уровнем.

Все это приводит к непропорциональному потреблению ТЭР и расходу средств на борьбу с загрязнением окружающей среды и связано оно в первую очередь с большим количеством технологических переделов, которым подвергаются генерируемые виды энергии на пути к потребителю, ведущих к тому же к резкому удорожанию традиционного энергоснабжения.

Рассмотрим качественные и количественные потери энергии сопровождающиеся к тому же тратами на поддержание экологической безопасности при организации, например, водоснабжения любого объекта производства или сферы услуг.

Современные технологии водоснабжения основываются на широчайшем использовании электроприводных водяных насосов, КПД которых напрямую зависит от их производительности - типаразмеров. Чем меньше насос и его электродвигатель, тем ниже их КПД (составляет всего 50 % и менее), и наоборот. А ведь используемая для их привода электрическая энергия вырабатывается на тепловых электростанциях со средним КПД, не превышающим 40 %.

Следовательно без учета потерь: органического топлива в процессе транспортировки, обогащения, переработки, хранения, сжигания; электрической энергии на собственные нужды электростанций, в линиях электропередачи, на трансформаторных подстанциях; от утечек воды в магистральных трубопроводах, вентилях, предохранительных и перепускных клапанах, эффективный КПД преобразования теплоты топлива в энергию потока воды составляет около 20 %, а общий, с учетом перечисленных выше потерь - 10%.

Примерно такими же КПД, а значит и экологическим воздействием, обладают системы централизованного производства тепла, искусственного холода, кондиционирования, сжатого воздуха, аспирации.

Столь низкая эффективность использования органического топлива, а значит и высокая стоимость используемой потребителем энергии (продукта) объясняется в первую очередь тем, что до совершения необходимой потребителю работы преобразуемая энергия органического топлива подвергается не только эволюционным технологическим переделам, но и инволюционным.

Преобразование потенциальной энергии топлива и возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в теплоту воды и пара, энергию потока рабочего тела, механическую энергию, а затем в электрическую необходимо отнести к эволюционным технологическим переделам, так как они повышают ее иерархию (потенциальный уровень). Преобразование же электрической энергии в механическую, поток воды и теплохладоносителя, тепловую энергию необходимо отнести к инволюционным технологическим переделам, так как энергия высшего порядка понижает свой потенциал - деградирует с негативньми последствиями для биоты без совершения необходимой потребителю работы, которая совершается на последнем технологическом переделе.

Точно такие же эволюционные и инволюционные технологические переделы присутствуют во время подготовки и использования воды. Очистку воды от механических примесей, дезинфекцию можно отнести к эволюционным технологическим переделам, т.к. они повышают ее пригодность для удовлетворения не только внешних, но и внутренних физиологических потребностей человека. Использование этой очищенной воды, например, для мытья посуды, влажной уборки, консервации продуктов питания, стирки можно также отнести к использованию по прямому назначению. А вот использовать ее для мытья машин, для домашних животных и птицы не желательно. И уже совсем недопустимо использовать такую воду: для промышленных нужд, полива сада-огорода, а тем более сельскохозяйственных полей (Энергетические затраты на промышленных предприятиях на подачу 1 м3 питьевой воды составляют около 0,6 кВт.ч электроэнергии, а на подачу 1 м3 промышленной - 0,31 кВт.ч).

Не надо доказывать, что крайне нерационально вырабатывать централизованно для производств с малым электропотреблением и жилья дорогую и высоколиквидную электрическую энергию, транспортировать ее во все "таежные" уголки с огромными издержками и загрязнением окружающей среды, а затем преобразовывать с многоступенчатой деградацией в потоки воды (рабочего тела), теплоносителя, хладагента (охлаждающей жидкости), тепла, т.е. в те менее ценные виды энергии, которые уже были в процессе производства электроэнергии. Это все равно, что выпекать хлеб, а затем скармливать его домашнему скоту (что и делали в ограниченных количествах в бывшем СССР в 70-80 годы прошлого века) или это все равно, что сжигать в котлах дизельное топливо или высокооктановый бензин вместо мазута. Также очевидно, что рассеивание энергии, неиспользованной в термодинамических циклах преобразователей в окружающую среду также очень не выгодно в России и опасно. Кроме того, что преобразование электрической энергии в другие, низшие виды энергии очень не выгодно, например, в механическую энергию, в поток воды, холод, теплоту с энергетической точки зрения, это требует еще применение дорогого и сложного преобразующего оборудования - электродвигателей, насосов, холодильников и т.д. (однако здесь не следует впадать в крайность и осуждать: использования электрической энергии, например, в утюге, чайнике, при дойке коров и других кратковременных процессах механизации труда, как и бензина в паяльной лампе).

Рассмотрим возможность и актуальность энергосбережения при строительстве, обслуживании и ремонте техники любого назначения, организации труда, отдыха и досуга россиян за счет изменения принципов, последовательности и ограничения количества технологических переделов, которым подвергается преобразуемая энергия на пути к конечному потребителю, за счет тепловых приводов, за счет использования как существующего в Природе, так и созданного искусственно градиента (перепада) температур, за счет резкого ограничения рассеивания в окружающую среду низко потенциальной теплоты.

Прежде чем перейти к рассмотрению предлагаемых энергогенерирующих систем определимся по приоритетным направлениям в сфере энергосбережения - технологическим переделам, гарантирующим высокую эффективность преобразования энергии органического топлива, а значит и энергосбережения.

Известно, что каждый процент сэкономленных в России энергоресурсов дает прирост национального дохода на 0,35-0,4 %.

Это выводит на 1-е место актуальность поисковых работ по повышению эффективности (КПД) первого этапа преобразования тепловой энергии - в термодинамических циклах, так как в них эффективный КПД несмотря на большие температурные напоры обычно составляет 30-40 %, в то время как в котлах при нагреве воды, генерации пара он достигает 90 % и более.

Именно низкими КПД термодинамических циклов в основном объясняется тот факт, что стоимость 1 кВт.ч электроэнергии, как правило, в 3-5 раз выше стоимости 1 кВт.ч тепловой энергии, например, системы центрального отопления.

Исходя из соотношения цен на эти виды энергии следует, что повышение КПД термодинамического цикла при преобразовании тепловой энергии, например, в электрическую на 1 % эквивалентно повышению КПД котлов, в первом приближении, на 3-5 %. А поскольку эффективный КПД котлов близок к теоретически возможному, то остается единственный путь (поиск путей) - повышение КПД термодинамических циклов энергогенерирующих технологий и ограничение использования электрической энергии.

По своему прямому назначению, без деградации (понижения иерархии) используется только тепловая энергия. Электрическая же энергия, ее большая часть, подвергается последовательному преобразованию иногда недопустимое количество раз.

Именно из-за повсеместного использования электрической энергии, в том числе на производстве, при эксплуатации жилья, оборудования, при строительстве, обслуживании и ремонте техники с многоступенчатой деградацией при генерации у потребителя необходимых ему видов работ (услуг) возрастает дефицит энергоресурсов. Причем зимой традиционно энергетические ресурсы в России используются более рационально с высоким уровнем энергосбережения, т.к. на крупных теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) параллельно с выработкой электрической энергии теплота, не использованная в термодинамических циклах, направляется на обогрев зданий посредством централизованных систем отопления. Летом же большая часть тепловой энергии, неиспользованная в термодинамических циклах, через градирни рассеивается в окружающую среду, что резко снижает эффективность использования топлива в целом по всей стране. Летом тепловой энергии на ТЭЦ принудительно рассеивается во много раз больше, чем теряется зимой из-за нарушений теплоизоляции тепловых сетей.

Особенности российского климата диктуют поиск новых бездеградационных технологий генерирования необходимых российскому товаропроизводителю видов энергии с минимальным использованием электрической энергии, с дальнейшим совершенствованием термодинамических циклов - повышением их КПД, с ограничением безвозвратного рассеивания оставшейся после термодинамических циклов низкопотенциальной тепловой энергии, с использованием существующего градиента температур.

Поскольку электрическая энергия - это самый дорогой и высоколиквидный вид искусственной энергии, то и расходоваться она должна в основном на освещение, гальванические процессы, сварку, очистку воды, работу различных электрических приборов и подвижных частей оборудования, для привода в работу электродвигателей оборудования, которое совершает разнообразные кратковременные силовые процессы: по механизации труда; приготовления бетонных растворов и столярных изделий; движения транспортных средств и т.п., т.е. тех процессов, которые не были в процессе производства электрической энергии. При использовании электрической энергии для создания необходимой услуги необходимо, по возможности, ориентироваться на бездеградационную технологию ее использования. Ведь никто не использует на кормовые добавки скоту пшеницу "сильных" сортов - для этого используют фуражное зерно с низким содержанием клейковины (печь хлеб из такого зерна нельзя - булка получится тяжелой, как кирпич, а мякиш будет прилипать к ножу). Используют в качестве кормовых добавок также отруби, отходы технологических процессов изготовления хлеба. Также как гвозди забивают молотком, а не микроскопом, хотя последний намного тяжелее.

Исходя из изложенного, в нашем понимании, истинное энергосбережение - это прежде всего ограничение использования электрической энергии и отсутствие в энергогенерирующих установках и системах градирен или других каких бы то ни было систем рассеивания в окружающую среду неиспользованной, в первую очередь, в термодинамических циклах тепловой энергии.

Централизованное производство электрической энергии с использованием ее для совершения у потребителя необходимых ему видов работ выгодно только при больших объемах потребления на месте производства и там, где значительная ее часть используется для совершения разнообразных длительных многофункциональных, ориентированных в пространстве силовых процессов (станочное оборудование, подвижной состав железнодорожного и городского транспорта, подъем и перемещение грузов, выплавка особо чистых сталей, алюминия и т.д.) без дальнейшей деградации и частично при удовлетворении физиологических потребностей человека в условиях сверхплотной городской застройки.

В процессе развития традиционной электроэнергетики, в период индустриализации, приоритет был отдан строительству больших ТЭЦ с параллельной выработкой тепловой энергии из-за относительно высоких КПД термодинамических циклов и преобразования механической энергии в электрическую (чем крупнее ТЭЦ, тем эти показатели выше). И это оправдало себя в период интенсивного производства средств производства, а особенно в период Великой Отечественной войны.

Однако работа последних лет показала, что получать сверхвысокие КПД термодинамических циклов, соизмеримые с получаемыми на крупных ТЭЦ можно и при низких температурных напорах в малых стационарных установках, если использовать в качестве рабочих тел фторуглероды алифатического ряда и оборудование оригинальной разработки.

Исходя из специфической децентрализации малых объектов, КБАЭ "ВоДОмет", для рассредоточенных зданий с небольшими объемами энергопотребления, с 1994 года разрабатывает установки и системы проекта "Альтернативная энергетика" ("АЭ").

Предпочтительным нетрадиционным вариантом для энергосбережения является использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в системах проекта "АЭ" следующим образом:

  • летом, разности температур (потенциалов) между двумя искусственно созданными аккумуляторами теплоты и холода, которые представлены в виде солнечного соляного пруда, расположенного с южной стороны отдельно стоящего здания и обыкновенного теплоизолированного котлована со льдом, расположенного с северной стороны этого же здания;
  • зимой низкопотенциальной тепловой энергии остывающего солнечного соляного пруда и талой воды котлована.

Летом аккумулированная солнечным соляным прудом солнечная энергия используется:

  • либо для преобразования со сверхвысоким КПД в водомете (первой ступени теплового привода) вначале в энергию потока жидкости, затем в гидромоторе энергия потока жидкости преобразуется в механическую энергию, а далее механическая энергия при необходимости посредством электрогенератора преобразуется в высоко ликвидную электрическую энергию,
  • или в хладомете (тепловом приводе) компрессорной холодильной установки преобразуется в поток хладагента, обеспечивающего выработку летом высоколиквидного среднетемпературного холода.

При этом в обоих случаях тепловая энергия подается из солнечного соляного пруда к водомету (хладомету) гравитационной тепловой трубой (системой труб), а неиспользованная в термодинамическом цикле преобразователей теплота солнечного соляного пруда отводится другой тепловой трубой (системой труб) в котлован со льдом, обеспечивая его таяние, аккумулирование оставшейся низкопотенциальной солнечной энергии для зимнего использования на отопление.

Кроме того аккумулируемая прудом солнечная энергия может использоваться для нагрева до 70-80 °С воды или воздуха, а холод котлована может использоваться для охлаждения воздуха, подаваемого в помещения во время летнего зноя.

Эффективность аккумулирования летом среднепотенциальной солнечной энергии прудом основывается на том, что в нем отсутствует всплытие нагретого придонного рассола за счет подавления гравитационной конвекции в пруду, при поглощении придонным слоем также и солнечной энергии, отраженной в пруд от южной стены здания. А сверхвысокий КПД водомета обеспечивается как за счет понижения температуры нижней границы термодинамического цикла до +10 "С, при использовании для охлаждения радиатора водомета энергии (холода) льда котлована, так и за счет использования нового рабочего тела - декафторбутана, благодаря которому в диапазоне рабочих температур 10...70 "С КПД водомета составляет 31,4%.

На зиму солнечный соляной пруд изолируется от окружающей среды и его теплота вместе с тепло талой водой котлована используется в качестве источника низкопотенциальной энергии, преобразуемой теплоприводным тепловым насосом в тепловую энергию более высокого потенциала, пригодную для отопления зданий и помещений. В процессе изъятия теплоты из котлована вода превращается в лед, котлован «готовится» к летней работе. Значительно снижается и температура рассола солнечного соляного пруда.

Кроме генерированных от ВИЭ летом механической и электрической энергии, тепла и искусственного холода, а зимой тепловой энергии малые объекты нуждаются и в узко-функциональных видах энергии, не требующих для генерации кардинального изменения существующих систем энергообеспечения, выработка которых была бы связана как с минимальным использованием привозного топлива, так и со значительным уменьшением использования самого дорогого вида энергии - электричества. Всегда востребованными являются также технологии и установки энергосбережения, повышающие энергетический суверинетет пользователей. Эти вопросы также возможно решать с параллельным использованием "бросовой" низкопотенциальной теплоты, посредством нетрадиционных установок проекта «АЭ». Так, например, для циркуляции теплоносителя (горячей воды) водогрейного котла по системе локального теплоснабжения можно использовать теплоприводной водяной насос, а для рекуперации теплоты санитарно-бытовых стоков, покидающих здание, актуально использование теплоприводного теплового насоса. Для локализации и тушения пожаров можно использовать оригинальную теплоприводную установку, а для выработки электроэнергии зимой электростанцию, упомянутую ранее.

Гарантированного летнего водоснабжения можно добиваться используя солнечную систему водоснабжения.

Предлагаемые альтернативные источники энергоснабжения могут гарантировать бесперебойное энергообеспечение в малых и средних объемах, что полностью согласуется со сложившейся практикой. Например, если мы обратимся к мировому и отечественному опыту производства сельскохозяйственной продукции, то какой бы регион мы не рассматривали, каждый из них стремится максимально обеспечить себя такой продукцией, которая хотя бы и со значительными издержками давала урожай. И только по результатам уборки урожая производят закупки со стороны. При этом неиспользуемые в питании людей, на корм скоту и птицы "бросовые" отходы компостируются с последующим внесением в виде удобрений в почву - для повышения ее плодородия. Также нужно поступать с выработкой энергии и ее "отходами" на местах. Ведь энергия - это основа механизации любого процесса в производстве и быту. В настоящее время для обеспечения своих производств энергией малые предприятия, как правило, приобретают топливо по розничным ценам, которые намного выше оптовых и поэтому несут большие расходы. Существующее сегодня централизованное производство электрической и тепловой энергии из органического топлива и последующее ее использование для совершения потребителем необходимых ему видов работ сопряжено с большими издержками и загрязнением окружающей среды из-за высоких температур, давлений, напряжений и отходов в энергогенерирующих установках и при передаче энергии на большие расстояния (используемые в "большой" энергетике технологические переделы наиболее подходят для крупных производств). Точно также как большие города из-за невозможности переработать горы разнообразного мусора, окружаются свалками - рассадниками всевозможных зараз, точно также окружены омертвляющими золоотвалами ТЭЦ, чего не скажешь о небольших поселениях с прогрессивными инженерными системами жизнеобеспечения быта и производства.

КБАЭ "ВоДОмет", исходя из результатов 7-ми лет работ, считает, что гарантированный минимум удобной для потребителя энергии - потока воды, механической и электрической энергии, тепла и искусственного холода - надо генерировать, используя ВИЭ без какой бы то ни было деградации на месте потребления, тем более, что в качестве преобразователей тепловой энергии в установках и системах используются водометы, хладометы со сверхвысоким КПД.

На данном этапе развития производства, оказания услуг, когда механизация связана с преобразованием тепловой энергии, а эффективность энергогенерирующих установок и систем напрямую зависит от КПД термодинамических циклов, следует: чем выше КПД преобразования, и если отсутствует инволюция энергии и ее рассеивание, тем меньше топлива нужно для выработки одного и того же объема необходимого конечному потребителю вида энергии, в том числе при изготовлении самих установок и систем, тем меньше стоимость конечного вырабатываемого продукта или услуги, и наоборот. Если же в качестве первичного источника энергии используются ВИЭ, существующий в Природе и созданный искусственно градиент температур, который также можно (необходимо) отнести к ВИЭ, то чем выше КПД преобразования, тем меньше нужны по размерам элементы, воспринимающие эту энергию (ВИЭ), т.е. при изготовлении производители будут нести меньше затраты. Истинная энергетическая безопасность возможна только за счет эффективного энергосбережения на всех участках производства и услуг, при применении нетрудоемких в изготовлении и эффективных преобразователей. При этом определяющим фактором является КПД и бездеградационная технология использования энергии. Надо с электрической энергией поступать так же как поступают с вечерним платьем: его не носят в повседневной жизни и тем более не используют в качестве рабочей одежды. Электрическая энергия должна, образно говоря, стать вечерним платьем систем жизнеобеспечения возведенных объектов.

Поскольку летом для организации гарантированного водоснабжения, производства среднетемпературного холода и механической энергии для стационарных машин и механизмов, нагрева воды и воздуха, а зимой теплоснабжения можно обойтись без использования высоко ликвидной электрической энергии, то потребности в ней в эти периоды и на эти цели будут сведены до минимума, что будет служить одним из основных критериев эффективности энергосбережения.

Если же в качестве преобразователей низкосортных топлив (сланцы, бурые угли, торф) использовать многоступенчатый преобразователь тепловой энергии, то, как показывают расчеты, эффективный КПД для интервала рабочих температур 10...290 °С может превысить 60 %, при теоретическом 80 %.

Изменение подхода к философии (приоритету) энергосбережения приводит нас к таким нетрадиционным решениям по преобразованию тепловой энергии, в том числе "бросовой", которые обеспечивают так необходимую любой городской и сельской организации, любому жилью сверхвысокую эффективность производства дифференцированных видов энергии даже при работе от ВИЭ и на низкосортном органическом топливе.


 
 
Главная страница        >> Новый интеллектуальный опыт.

Наверх