Р. Байтасов - Основы энергосбережения. Конспект лекций

Основы энергосбережения

Конспект лекций

Р. Р. Байтасов

© Р. Р. Байтасов, 2017

ISBN 978-5-4485-8932-4

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Тема 1. ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ, ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ

1.1 Цель и задачи изучения курса «Основы энергосбережения»

Возникновение, существование и развитие всех форм жизни на Земле всецело зависит от источников энергии, главным из которых является Солнце. Мощность, излучаемая поверхностью этого космического источника, равна 3,83 х 10²⁶Вт. На Землю попадает только 2 х 10¹⁷ Вт солнечной энергии, из которой атмосферой и земной поверхностью поглощается 47%. Остальная энергия отражается и рассеивается в космическое пространство. Несмотря на это, поглощение Землёй энергии в 35 тысяч раз превышает энергопотребление всего человечества.

Все ныне используемые источники энергии, по сути, являются преобразованной энергией Солнца.

Первоначальная энергия системы «биомасса – кислород» возникает в процессе фотосинтеза под действием солнечного излучения, являющегося естественным вариантом преобразования солнечной энергии.

Биомасса является основным исходным веществом для образования ископаемых топлив (торфа, угля, нефти, газа). Накапливавшийся в течение миллионов лет на поверхности Земли растительный материал в результате биохимического разложения перерабатывался в торф. Торфообразование и торфонакопление завершались перекрытием торфяника осадками, образующими породы кровли. Происходившие далее при относительно невысоких температурах и давлении биохимические процессы приводили к превращению торфа в бурый уголь. В результате длительного воздействия повышенных температур и давления бурые угли преобразуются в каменные угли, а последние – в антрацит. Аналогичным образом нефть образовалась из остатков морских животных, низших организмов и растительных остатков, которые также в течение миллионов лет скапливались и подвергались действию давления находящихся над ними пород и тепла.

Таким образом, в конечном итоге биомасса и образовавшиеся из неё ископаемые углеводородные топлива являются не чем иным, как огромными аккумуляторами солнечной энергии. В пересчёте на сухую массу образование биологических материалов в биосфере идёт со скоростью около 2,5 х 10¹¹ в год. Образование биомассы изменяется в зависимости от местных условий, и на единице площади суши её образуется примерно в 2 раза больше, чем на единице поверхности моря.

Из общего количества биомассы только 0,5% употребляется человеком в виде пищи.

Установлено, что с количеством потребляемой энергии непосредственно связаны степень развития техники и уровень жизни в любой стране. Чем больше потребляется энергии на одного жителя, тем выше уровень жизни и шире использование более совершенных технологий в промышленности.

Выявлена и другая дополнительная закономерность. Уровень жизни прямо пропорционален эффективности использования энергии. При неэффективном использовании энергии он значительно ниже, так как национальный доход страны уменьшается.

Вместе с тем, в Беларуси тратится на выпуск продукции в 3—5 раз больше энергии и сырья, чем в промышленно развитых странах. К тому же энергетика РБ в значительной степени зависит от внешних поставок первичных энергетических ресурсов, импортируемых преимущественно из России. Поэтому повышение эффективности использования ТЭР и создание условий для целенаправленного перевода экономики страны на энергосберегающий путь развития является актуальной задачей.

Расходование энергии в настоящее время стало фактором, влияющим на экологию Земли. Только в XX в. человечество израсходовало больше ресурсов, чем за весь период своего существования. Ввиду ограниченности запасов ископаемых топливно-энергетических ресурсов следует ожидать их опустошения в обозримом будущем. Например, если бы все жители Земли начали потреблять столько же ТЭР, как население США – 11 т.у.т/ (год чел) (или 245 кВт-ч/ (сут. чел.)), то их хватило бы на несколько месяцев. Для стабилизации экологической ситуации каждый житель планеты должен потреблять на свои нужды энергии не более 4,8 кВт-ч в сутки (215 кг у.т/ (год чел.)) из всех источников энергии. Это предел, к которому необходимо стремиться, создавая все условия для комфортного жизнеобеспечения (питание, транспорт, отопление, производственная деятельность, развлечения и т.д.). Если этого условия не соблюдать, то экологические изменения, деградация биосферы и человечества в будущем неизбежны.

Вопросами эффективного использования энергии при её производстве, преобразовании, транспортировке, распределении и потреблении занимается новое направление энергетики – энергосбережение. В образовательные стандарты всех специальностей ВУЗов включён курс «Основы энергосбережения», который является базовой дисциплиной для последующего изучения специальных, в том числе и экономических вопросов эффективного использования энергетических ресурсов в конкретных отраслях народного хозяйства и призван способствовать привитию энергосберегающего образа мышления людям.

Цель дисциплины: формирование у специалистов правильного подхода к постановке и решению проблем эффективного использования ТЭР на основе мирового опыта и государственной политики в области энергосбережения.

Задачи дисциплины – формирование у студентов основных знаний и представлений по следующим направлениям:

– традиционные источники, способы производства, преобразования и потребления энергии;

– важнейшие энергосберегающие технологии на основе использования вторичных и возобновляемых источников энергии;

– основные принципы оценки энергетической эффективности технологий и энергетического менеджмента.

1.2 Понятие энергии. Основные виды энергии

Энергия (греч. – действие, деятельность) – общая количественная мера различных форм движения материи, или Энергия является мерой способности объекта совершать работу.

Энергию делят на следующие виды:

Механическая энергия – проявляется при взаимодействии, движении отдельных тел или частиц.

К ней относят энергию движения или вращения тела, энергию деформации при сгибании, растяжении, закручивании, сжатии упругих тел (пружин). Эта энергия наиболее широко используется в различных машинах – транспортных и технологических.

Тепловая энергия – энергия неупорядоченного (хаотического) движения и взаимодействия молекул веществ.

Тепловая энергия, получаемая чаще всего при сжигании различных видов топлива, широко применяется для отопления, проведения технологических процессов (нагревания, плавления, сушки, выпаривания, перегонки и т.д.).

Электрическая энергия – энергия движущихся по электрической цепи электронов (электрического тока).

Электрическая энергия применяется для получения механической энергии с помощью электродвигателей и осуществления механических процессов обработки материалов: для проведения электрохимических реакций; получения тепловой энергии в электронагревательных устройствах и печах; для непосредственной обработки материалов (электроэрозионная обработка).

Химическая энергия – это энергия, «запасённая» в атомах веществ, которая высвобождается или поглощается при химических реакциях между веществами.

Химическая энергия либо выделяется в виде тепловой при проведении экзотермических реакций (например, горении топлива), либо преобразуется в электрическую в гальванических элементах и аккумуляторах.

Магнитная энергия – энергия постоянных магнитов, обладающих большим запасом энергии, но «отдающих» её весьма неохотно. Однако электрический ток создаёт вокруг себя протяжённые, сильные магнитные поля, поэтому чаще всего говорят об электромагнитной энергии.

Электрическая и магнитная энергия тесно взаимосвязаны друг с другом, каждая из них может рассматриваться как «оборотная» сторона другой.

Электромагнитная энергия – это энергия электромагнитных волн, т.е. движущихся электрического и магнитного полей. Она включает видимый свет, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи и радиоволны.

Таким образом, электромагнитная энергия – это энергия излучения. Излучение переносит энергию в форме энергии электромагнитной волны. Когда излучение поглощается, его энергия преобразуется в другие формы, чаще всего в теплоту.

Ядерная энергия – энергия, локализованная в ядрах атомов так называемых радиоактивных веществ. Она высвобождается при делении тяжёлых ядер (ядерная реакция) или синтезе лёгких ядер (термоядерная реакция).