Мероприятия по энергосбережению в АК «Алроса»

Стоимость добычи и транспортировки  топлива возрастает, так как уже  сейчас 80% его добывают на больших глубинах в отдаленных районах страны.

Исчерпываемость запасов, возрастающая стоимость добычи и  транспортировки традиционных видов топлива, а также непрерывное повышение цен заставляют экономно расходовать его и постепенно заменять возобновляемыми источниками энергии.

Традиционные для современной  промышленности способы получения энергии ориентируются на  источники ископаемого топлива и гидроэнергоресурсы. Однако совершенно очевидно наличие большой энергии, падающей на землю с излучением Солнца. Ураганный ветер, громко демонстрирующий свою мощь. Океанское течение значительно полноводнее самых больших рек. Все это может быть источником для получения энергии. Кроме, того, многие промышленные и бытовые отходы являются потенциальным топливом для получения энергии. Достаточно напомнить, что в Москве собирают только твердых бытовых отходов (ТБО) 300 кг. На одного жителя. При этом теплота сгорания ТБО составляет около 20 МДж/кг. Для сравнения: теплота сгорания каменного угля составляет 30-35 МДж/кг.

Рассмотрим некоторые нетрадиционные источники энергии.

 

Солнечная энергия

Проблема энергетического  голода присутствовала на всем протяжении истории человечества. Однако только к концу ХХ в. люди осознали конечность традиционных энергоресурсов. К настоящему времени запасы угля на Земле оцениваются в объеме 7*10 т, которых хватит до 2400 – 2500 гг., нефти 8*10 т, соответственно до 2100 г., природного газа 5*10 м3 – до 2020 г. запасы урана      (~ 760000 т.) значительны, тем более, что прогресс в разработке новых атомных реакторов ожидаем. Однако широкое использование атомных электростанций ограничивается  экологическими проблемами.

Таким образом, проблемы энергетического голода на лицо. Возникает естественное желание использовать новые источники энергии, желательно возобновляющиеся и экологически чистые.

Перечисленные выше энергоресурсы  обязаны своим существованием солнечной энергии, которая была накоплена на протяжении всей истории существования Земли. Рассмотрим некоторые параметры солнечной энергии, попадающей на поверхность Земли.

Мощность, излучаемая Солнцем, составляет 3,8*10 МВт. В настоящее время с солнечной радиацией на Землю поступает  около 1,8*10 МВт энергии. Практическое использование солнечной энергии лимитируется, прежде всего уровнем развития инженерно-технических средств улавливания, аккумулирования, преобразования и использования солнечных лучей.

Наиболее перспективным  направлением считается использование  солнечной энергии для отопления и охлаждения зданий. Такие установки в демонстрационных вариантах уже существуют, но еще не достигли массового коммерческого производства. Известны разработки различных приборов и установок по использованию солнечной энергии: печи для обжига кирпича, плавка и термообработки материалов, водоопреснительные установки, солнечные энергетические установки и другие.

Для использования энергии  излучения Солнца для отопления  помещений используют солнечные панели, которые представляют собой зачерненные металлические поверхности с циркулирующей внутри жидкостью. Для концентрации энергии излучения используют сферические зеркала, в фокусе которых расположены панели. Эксплуатация таких панелей оказалось экономически оправданной.          

Непосредственное преобразование солнечной энергии в электрическую осуществляется с помощью кремневых панелей. Развитие такой техники было стимулированною необходимостью энергообеспечения космических аппаратов. Коэффициент полезного действия такой панели – около 20%. Следовательно на поверхности Земли при потоке солнечной энергии 1кВт/м2 потребуется 5 м2 площади на 1 кВт вырабатываемой электрической мощности.

 

Энергия ветра

 «Даровая» энергия ветра может быть использована после изучения особенностей ветра как энергоисточника и  требуемых затрат на строительство ветровой установки. Заметим, что своим существованием ветер обязан Солнцу, которое в разной степени нагревает различные участки земной поверхности  и вызывает тем самым движение воздушных масс.

Коэффициент полезного  действия ветродвигателя составляет менее 50%. Расчетное теоретическое значение  КПД  идеального крыльчатого ветроколеса составляет около 60% и является достижимым верхним пределом. Энергия ветра составляет 0,04 кВт/м2  для скорости ветра 4 м/с, 0,61 кВт/м2 для 10 м/с, 3,6 кВт/м2 для 18 м/с.

Для преобразования кинетической энергии воздушного потока  в  механическую могут быть использованы  ветродвигатели различных типов.

Известны роторные двигатели, у которых рабочие поверхности  представляют собой  полуцилиндры, расположенные вертикально параллельна оси вращения. Такие двигатели имеют незамысловатую конструкцию, однако, они тихоходны, громоздки, коэффициент использования энергии  ветра не превышает 0,18.    

Более совершенным двигателем являются крыльчатые ветродвигатели с  горизонтальной осью вращения ветроколеса  и лопастями на оси. Лопасти в  простейшем случае представляют собой  плоскости, в современных агрегатах имеют специальный аэродинамический профиль. Такие двигатели более быстроходны,  менее массивны, коэффициент использования ветра у  них примерно в три раза выше, чем у двигателей роторного типа.

 

Приливные  и волновые станции

Использование энергии приливов и отливов в океане, а также энергии волн обсуждаются достаточно широко.  Затем, что энергия приливов так же обусловлена  космическими  явлениями, а именно движением Луны вокруг Земли.

Идея использования  энергии приливов по своей сути проста. Известно, что в наиболее благоприятных местах  разница между приливом и отливом составляет десятки метров. Использование энергии движения воды  при отливе сводится к строительству сооружения, аналогичному гидроэлектростанции на реке. Существует ряд мест на побережье океана  с высоким уровнем прилива, в частности Пенженская губа в Охотском море.

В настоящее время  в мире работают несколько приливных  электростанций (ПЭС): во Франции мощностью 240 тыс. кВт, несколько станций в Канаде общей мощностью 5600 тыс. кВт. 

Волновая мощность Мирового  океана оценивается в 2,7 млрд. кВт, что  соответствует около 30% потребляемой в мире энергии. Целесообразность установки волновых электростанций определяется плотностью приходящей энергии на единицу длины волнового фронта. Величина в 40 кВт/м не является редкой. Однако, например, у побережья Англии удельная мощность фронта достигает 80 кВт/м.

Жизнедеятельность волновой электростанции происходит в условиях, когда его эффективность увеличивается с ростом агрессивности среды. Поэтому удельная стоимость станции на 1кВт вырабатываемой энергии примерно в 5 раз выше, чем стоимость тепловой или атомной электростанции, а, следовательно,  это приводит к существенной  экономии органических энергоресурсов.

Принцип работы волновой электростанции состоит в преобразовании энергии движения волн в пульсационные движения и затем в однонаправленное усилие, вращающего вал электрогенератора. Существуют различные осуществления таких преобразований.

В испытываемом в Японии устройстве используется вытеснение воздуха из объема при колебании поверхности воды с подачей воздуха на воздушную турбину. Мощность опытного агрегата – 330 кВт.

В США используется низконапорная  турбина, которая работает за счет нагнетания воды волнами. Известен проект закачивания воды в бассейн на берегу за счет движения волн. Реализация его в Норвегии позволила наполнить  резервуар на высоте 100 м над поверхностью моря за счет системы фокусировки волн завершающейся воронкообразным каналом.

Известны идеи использования  шарнирно связанных понтонов, которые двигаются вверх-вниз по волне со сдвигом фазы относительно друг друга. При этом понтоны приводят в движение рычаги наподобие шатунов поршней двигателя внутреннего сгорания. Поршни используются как насосы жидкости, которая приводит в движение гидродвигатель.

Изучение различных  идей использования энергии волн показало, что каждая из них может  быть использована на практике. Однако, каждому из предложенных типов устройств  отвечает свое местоположение в море. Шарнирно связанные понтоны целесообразно использовать далеко от берега, где амплитуда воды мала, а длина большая. Накопление воды в бассейн целесообразно осуществлять на мелководье, где амплитуда воды увеличивается. 

Океан кроме энергии  волн обладает огромными запасами тепла. Согласно второму закону термодинамики это тепло можно использовать только при наличии холодного тела. Однако в океане существуют холодные и теплые течения, на границе которых имеется принципиальная возможность реализации теплового двигателя за счет тепловой энергии океана. Наибольшие градиенты  температуры ставят определенные технические трудности в реализации устройств для использования этой энергии. Использование в качестве рабочего тела двигателя веществ с низкой температурой кипения, например, фреонов, позволяет реализовать такой двигатель реально. Фреоновые турбины разработаны и  активно применяются для использования тепла геотермальных источников для выработки электроэнергии. Подобные турбины могут быть использованы для получения энергии из тепла океана.

 

Водородная энергетика

Концепция водородной энергетики предполагает получение водорода на крупных предприятиях, транспорт к центрам потребления и использования его в качестве топлива там, где сегодня используют газ, жидкое или твердое топливо.

В пользу водорода как универсального теплоносителя говорят многие обстоятельства. Сырьем для получения водорода может бать вода, запасы которой огромны. При сжатии водорода образуется очень много экологически вредных веществ. Транспортировка водорода и других топлив на его основе легко осуществима и рентабельна. Существующие двигатели автомашин и самолетов могут использовать искусственные топлива на основе водорода, например метанол, при их сравнительно небольших переделках. Водород широко используется в химии, нефтехимии и в других отраслях.

Однако водород имеет  ряд трудностей. Прежде всего, это  взрывоопасный газ. Теплота сгорания на единицу объема у водорода в 3 раза меньше, чем у метана, температура ожижения (20К) существенно ниже, чем у природного газа (у метана -108К).

Прямое получение водорода из воды путем электролиза возможна только при наличии дешевой электроэнергии, которой в  обозримом будущем не предполагается. Однако парокислородная газификация угля имеет перспективы быть рентабельным производством. При этом синтез газ в виде смеси Н2 +СО может служить топливом и сырьем для химического производства.

В настоящее время  производится около 500 млрд. м3/год водорода, который в объеме 70% идет на производства аммиака и метанола. Таким образом, водородная энергетика приходит на подготовительную почву.

 

Использование вторичных  энергоресурсов 

Другим направлением в энергосбережении является использование вторичных энергоресурсов. Вторичные энергоресурсы (ВЭР) – так называют тепло отходящих газов технологических агрегатов, тепло основной, побочной, промежуточной продукции и отходов основного производства, тепло рабочих тел систем принудительного охлаждения, тепло горячей воды и пара, отработанных в технологических  и силовых установках.

Кроме того, известны ВЭР  других видов: горючие ВЭР (горючие  продукты и отходы, образующиеся в процессе производства, например,  доменный и коксовый газы), ВЭР избыточного давления (газы и жидкости, покидающие технологические агрегаты под избыточным давлением).

При производстве электроэнергии на ТЭС только 30% энергии топлива преобразуется в электричество. Около 60% теряется при охлаждении турбин. При этом образуется большое количество воды с температурой 30-50 С. Часть этого тепла используется для подогрева  питающей воды, однако основное количество выбрасывают в окружающую среду. Средний расход  охлаждающей воды и количество отводимого с этой водой тепла, приходящиеся на 1000 Мвт установленной мощности, составляют на ТЭС 30м3/с и 4500 ГДж/ч (1250 Мвт) соответственно. Такой расход воды составляет около 0,3% от расходы воды в реке Обь (12700м3/с в среднем).

Около 10% энергии теряется на ТЭС с отходящими газами (дымом). При температуре дыма 150 С расход дымовых газов составляет около 1000 м3/с 100 Мвт установленной мощности угольной ТЭС, что соответствует более 100 Мвт тепловой мощности.

В чем же состоят основные проблемы использования вторичных  тепловых энергоресурсов? Для ответа на этот вопрос, прежде всего, проведем краткий анализ необходимого количества потребляемого тепла, сопоставим результаты анализа с характеристиками типичных вторичных тепловых ресурсов.

Получение тепла для  производства электроэнергии или механической энергии предполагает выработку перегретого пара. В соответствии с этим источник тепла должен иметь температуру теплоносителя   в несколько сот градусов. В случае использования сырья для сушки сырья температура должна превышать 100 С. Наконец для отопления помещений температура теплоносителя не может быть менее 60 С.

Таким образом, важной характеристикой  тепловых ресурсов является их температурный потенциал. Использования тепла автоматически предполагает наличие теплоносителя. Характеристики теплоносителя: теплотехнические, экологические и другие могут определять возможность использования имеющегося тепла. Кроме того, непрерывность выхода тепла, тепловая мощность могут оказаться решающими аргументами при решении вопроса о целесообразности использования конкретного источника тепла.

Высокотемпературные тепловые  отходы  в виде отходящих газов  используются с помощью котлов – утилизаторов для выработки электроэнергии и теплоснабжение потребителей. Оптимальная эффективность  применение котлов – утилизаторов определяется температурой газов (400 С и выше) и количеством отходящих газов (500м3/ч и более), что соответствует возможной паропроизводительности 100кг/ч. котлы – утилизаторы разрабатываются для использования на конкретных производствах и, как правело изготовляются индивидуально для каждого из них.