150234 (Джерела енергії та вибір енергоносія)

Джерела енергії та вибір енергоносія

1. Технічні і економічні фактори вибору енергоносія

Структура даного параграфа така:

• види енергії і палива;

• ланцюг перетворення енергії;

• шкідливі викиди при спалюванні палива;

• приклади прийняття рішень;

• постачання і вартість кінцевого споживання енергоносія.

При виборі джерела енергії основними факторами, що визначають вибір, є технічні і економічні питання. Здоровий глузд та прості підрахунки завжди підкажуть, який вид джерела енергії слід вибрати при проектуванні або реконструкції вашого підприємства чи інфраструктури будівлі. Але слід пам’ятати, що з часом змінюються схеми і вимоги до енергоспоживання і це може призвести до неоптимального використання джерела енергії.

1.1 Що таке енергія?

Найпростіше (шкільне) означення енергії таке:

Енергія – це здатність тіла виконувати роботу. У системі CІ енергія вимірюється у Джоулях (Дж).

Один Джоуль – це робота, яка виконується силою в один Ньютон, при переміщенні тіла на відстань один метр.

Але слід розуміти, що лише здатністю виконувати роботу поняття енергії не вичерпується, скоріше таке означення підкреслює той факт, що будь – які форми енергії можуть трансформуватися у механічну енергію, тобто викликати переміщення тіл одне щодо одного і виконувати роботу.

Для того щоб у вас виникли уявлення про величину енергії, яка затрачається у різних процесах, запам’ятайте таке:

• один удар серця = 1 Дж;

• нагрів одного літра води на один градус Цельсія = 4182 Дж;

• нагрів води для однієї чашки кави = 72000 Дж.

1.2 Що таке потужність?

Потужність характеризує інтенсивність роботи, це робота, яка виконується за одиницю часу. У системі СІ потужність вимірюється у Ватах.

Один Ват – це робота, яка виконується силою в один Ньютон на шляху один метр за одну секунду.

Дамо декілька практичних прикладів потужності:

• один удар серця потребує потужності один Ват;

• щоб підвищити температуру одного літра води на один °С за одну хвилину, необхідна потужність 69,7 Ват;

• щоб підігріти воду для однієї чашки кави за одну хвилину необхідна потужність 1200 Ват.

1.3 Що таке кВт-год?

Одна кВт-год – одиниця вимірювання енергії(роботи). Це робота, яка виконується силою, що розвиває потужність 1000 Вт, за одну годину. Вона рівна 3 600 000 Дж, або 3.6 МДж.

1.4 Види енергії

Енергія може існувати у різних видах (формах), включаючи такі:

• тепло;

• електрична енергія;

• хімічна;

• механічна: кінетична і потенціальна.

Закон збереження енергії стверджує, що енергія не може бути знищена або створена, вона може лише переходити з одного виду у інший. Тому, спалюючи газ, щоб підігріти каструлю води, ми перетворюємо хімічну енергію палива у теплову енергію води та нагріваємо довкілля.

1.5 Паливо

На практиці ми використовуємо термін "види(форми) енергії" для позначення різних та палив. Тут ми будемо розглядати:

• вугілля;

• нафту;

• природний газ.

Деякі з них представляють типові видобувні палива, які є основними у використанні енергії. Існують інші види палива, або джерела енергії, наприклад:

• енергія сонця;

• біомаса;

• енергія вітру;

• енергія хвиль;

• гідроресурси.

Ці "відновлювальні" джерела енергії є безпосереднім результатом засвоєння енергії сонця, тоді як видобувні палива отримані в результаті дії енергії сонця мільйони років тому назад. Тому видобувні палива не є відновлюваними.

Відома також ядерна форма енергії, котра на сьогодні практично використовується лише для генерування великих кількостей енергії на ядерних електростанціях.

Всі перераховані вище палива утворюють першу, основну, ланку ланцюга перетворення енергії.

1.6 Ланцюг перетворення енергії

Ланцюг перетворення енергії – це шлях енергоносія від його початкового стану до кінцевого, коли він готовий до споживання, див. рис. 1.

На діаграмі представлено загальний взаємозв’язок між енергетичною сировиною і кінцевою формою енергії. Ця діаграма представляє не єдино можливий шлях трансформації енергії, крім нього, існують інші шляхи перетворення.

Нижче описано основні форми енергії з точки зору її готовності для споживання.

Первинна:

• корисні видобувні або відновлювані джерела енергії.

Вторинна:

• теплова, електрична, механічна;

• більш корисна.

Кінцева:

• енергія, доведена до споживача;

• складається із вторинних і первинних джерел енергії.

Корисна:

• енергія, яка в дійсності виконує роботу.

Сира нафта, добута з землі, є первинним джерелом енергії, але має обмежене застосування. Вона може бути перетворена у більш корисні вторинні джерела енергії, такі як бензин, гас, важке дизельне паливо і т. п. Будь – яка обробка супроводжується втратами енергії.

Вторинна енергія повинна постачатись споживачу. Цей процес також зв’язаний з втратами. На цьому етапі вона є кінцевою формою енергії, наприклад, нафта перевозиться танкерами та зберігається у спеціальних резервуарах. На кінцевому етапі енергія (кінцева енергія) перетворюється у корисну енергію у пункті її споживання. Наприклад, спалювання нафти в склоплавильній печі забезпечує корисне тепло у шихті.

1.6.1 Втрати у ланцюгу трансформації енергії

Завжди будуть втрати енергії:

• у всіх точках конверсії;

• при будь-якому розподілі.

Наприклад, ефективність ланцюга перетворення кам’яного вугілля для освітлення даної кімнати, %:

– вугілля у електрику 37;

– розподіл електрики 90;

– електрики у світло 10;

– всього (0,37 0,9 0,1) 3,3.

Якщо йти вниз по ланцюгу, то збільшується вартість енергії за її одиницю. Таким чином, якщо вартість вугілля становить $ 0,01 за кВт-год (приблизно $ 75 за тонну), то ефективна вартість світлової енергії стає $ 0,30 за кВт-год. До цього додаються всі капітальні, поточні і витрати на доставку, які зв’язані з переробкою чорного вугілля у світло.

Оскільки енергія не може бути знищена, то більша частина відсутніх 97% буде в кінцевому підсумку втрачена у вигляді тепла, розсіяного у навколишньому середовищі.

1.7 Джерела енергії, які використовують у промисловості

У промисловості на всіх рівнях ланцюга перетворення енергії, палива використовують у формах:

• вугілля;

• нафти;

• природного газу;

• деревини

• електроенергії;

• пари;

• гарячої води;

• стиснутого повітря.

Причому вибір конкретного палива залежить як від властивостей самого палива, так і від наявних трансформаторів енергії та, звичайно ж, від відносної вартості цих видів енергоносіїв.

1.8 Використання енергії

У промисловості енергія використовується для вирішення п’яти задач:

• опалювання;

• охолодження;

• механічного руху;

• освітлення;

• електрохімічних процесів.

У всіх випадках існує вибір:

• палива або

• пристроїв (трансформаторів) для отримання кінцевої енергії.

У кожному випадку існує ряд способів перетворення первинної та вторинної енергії у кінцеву і корисну. Найбільш прийнятний вибір виду палива та процесу трансформації його енергії буде визначатись енергетичним, або ексергічним (якщо йдеться про перетворення енергії палива у механічну) ККД процесів перетворення та вартістю палива.

1.9 Ціни на енергію

Ціна завжди є важливим фактором при будь – якому процесі прийняття рішень. Наведений на рис. 2 графік показує середню ціну різних палив у Великобританії та в Україні, рис. 3, протягом 1997 року.

Найбільш дорогі палива – це ті, що вже пройшли етапи певного перетворення, наприклад, кокс отримується з вугілля, а прикладом кінцевої енергії може служити електрична енергія. Ціна електроенергії у чотири – вісім разів вища від ціни інших палив. Це пояснюється низьким ККД трансформації електроенергії з первинного палива та втратами при її передачі.

Ціни на первинні палива набагато нижчі, але для більшості випадків їх застосувань потрібний процес перетворення, перед тим як вони будуть використані. Втрати при таких перетвореннях та всі подальші розподілення енергії будуть означати, що ціна корисної енергії зростає.

У більшості випадків ціна корисної енергії буде залежати від використаних технічних засобів її трансформації і, приймаючи рішення щодо джерела енергії, необхідно орієнтуватися саме на ціну кінцевої енергії, а не на ціну палива. При зіставленні необхідно звести ціни до єдиної одиниці.

Такою узагальненою ціною є теплотворна здатність палива, виражена у кВт∙год, як це показано на рис. 2. Приблизна теплотворна здатність різних видів палива, які використовуються у Великобританії, наведена нижче:

1 тонна вугілля = 7300 кВт∙год;

1 тонна коксу = 7800 кВт∙год;

1 тонна важкого дизельного палива = 11800 кВт∙год;

1 тонна газойлю = 12700 кВт∙год;

1000 м³ природного газу = 10800 кВт∙год.

Коли ви вимагатимете у постачальників назвати ціни на паливо, необхідно запитати про середню теплотворну здатність палива і вимагати, щоб вони вказали її величину у кВт∙год або у Дж.

2. Шкідливі викиди, що супроводжують використання палива

Вплив на планету в цілому та на довкілля є предметом постійно зростаючої турботи світової громадськості. Достатньо згадати Кіотський протокол країн – членів ООН щодо обмеження викидів парникових газів. У законодавстві більшості країн (в т.ч. України) передбачена відповідальність за негативний вплив діяльності підприємств та організацій на навколишнє середовище.

Основними негативними впливами, що виникають при використанні палив, є газові викиди: СО₂, SO₂, NO_x, CO; важкі метали, сажа (продукти неповного згоряння вуглеводнів), HCl, тверді відходи та можливі техногенні небезпеки, наприклад, витоки з танкерів, ядерні катастрофи, процеси ерозії та суфозії ґрунтів. Іншими несприятливими впливами є викиди у поверхневі та підземні води, шумове та теплове забруднення довкілля.

Вплив на довкілля, що створюється викидами, в основному залежить від використовуваного палива та техніки трансформації енергії палива. Вид палива впливає на склад викидів, оскільки, в залежності від його якості, процес горіння супроводжується небажаними домішками, такими як сірка та азот.

Природний газ є дуже чистим паливом. Він переважно не містить забруднюючих домішок. Газойль теж чисте паливо, він майже (за винятком сірки) не дає шкідливих викидів. Топковий мазут (ТМ) марки HFO, торф та вугілля містять сірку та інші домішки, див. табл. 1.

Таблиця 1. Викиди при перетворенні енергії

	SO2	ППил	NNOx (O3)	CCO	Радіоактивність	ІIнші	Кліматоакт. гази
Природний газ							СO2, CH4
Нафта							СO2, CH4
Вугілля							СO2, CH4
Уран
Сонце, вітер, гідроресурси.
Біомаса							N2O
Геотермальний						HН2S

2.1 Основні типи викидів при трансформації палива

Основні викиди шкідливих речовин, що супроводжують трансформацію палива при перетворенні його у кінцеву енергію, такі:

• СО₂ - головний газ, котрий викликає парниковий ефект. Паливо з високим вмістом водню, наприклад природний газ, створює менше СО₂ на одиницю корисної енергії, ніж паливо з високим вмістом вуглецю, наприклад вугілля.

• SO₂ – виникає при згорянні сірки, яка міститься у паливі. Наступні реакції двоокису сірки з водою у атмосфері викликають появу кислотних з’єднань, котрі є головною причиною кислотних дощів. Тверді палива зв’язують деяку частину сірки у золі, але в загальному підвищений вміст сірки у твердих паливах призводить до її підвищеного викиду при згорянні таких палив.

• NO_x викликає утворення азотнокислих сполук над поверхнею землі, що дуже шкідливо для дихальної системи людини. Основні джерела NO_x - це високотемпературні реакції N₂ + O₂, продукти яких залежать від максимальної температури, часу перебування палива у топці та присутні у паливі сполук NO_x. Кількість перших сполук можна зменшити шляхом спеціальних умов горіння, а другі лише спеціальною обробкою палива перед спалюванням.

• СО – чадний газ – це токсичний газ, який виникає при неповному згорянні. Великі викиди СО не тільки шкідливі, а й призводять до втрати енергії. Концентрація СО головним чином залежить від самого процесу горіння.

• Тверді викиди утворюються в процесі горіння нафти, вугілля та інших твердих палив. Низькоякісне вугілля та неефективні умови згоряння можуть призвести до утворення аерозолів, які шкідливо впливають на дихальну систему людини. Необхідно видаляти золу, яка утворюється у процесі спалювання вугілля. Очевидно, що зі спалюванням вугілля та нафти зв’язані викиди мілких частинок важких металів та вуглеводнів, які є канцерогенами.

• Топковий мазут (ТМ) марки HFO та вугілля містять сірку та інші шкідливі домішки, див. табл. 2.

Таблиця 2. Інформація про шкідливі викиди різних видів палива

Паливо	СО2	SO2	NOx	CO
	грам/кВт∙год теплов. виходу		грам/кг палива
Вугілля	262	3.31	6.1	5.2
ТМ	213	3.37	7.5	0.5
Газойль	199	0.17	2.6	0.2
Природний газ	144	-	2.6	0.1

2.2 Викиди енергетичних підприємств