Эксергия — путь энергосбережения

Для Украины проблема сбережения энергетических и сырьевых ресурсов особенно актуальна в условиях рыночной экономики при ограниченных ресурсах основных энергоносителей — нефти и газа. Политика энергосбережения промышленно развитых стран позволила им существенно снизить энергозатраты на производство единицы валового продукта и занять передовые позиции на мировом рынке.

В последние десятилетия за рубежом ведутся фундаментальные исследования деятельности ряда отраслей, производств и технологий с позиций эксергетической методологии. Величина, определяющая пригодность к действию (работоспособность) ресурсов вещества и энергии, была названа эксергией, а функции, определяющие ее значение, — эксергетическими. Термин «эксергия» был введен в 1956 году и происходит от греческого слова ergon — работа и приставки ex, означающей здесь высокую степень.

Потоки энергии и эксергии всегда сосуществуют. Они могут быть равны друг другу, если речь идет о потоках механической или электрической энергии, и очень сильно отличаются в потоках теплоты.

Эксергия не только количественно характеризует энергию любого вида, но и позволяет оценить ее качественную сторону. Она определяет превращаемость, пригодность энергии для технического использования в любых заданных условиях.

Поскольку эксергия является единой мерой работоспособности, пригодности энергетических ресурсов, ее применение позволяет дать объективную оценку энергетических ресурсов любого вида, в том числе и вторичных. Использование эксергии отходов производства не только уменьшает расход соответствующего энергетического сырья, но и приводит к снижению капиталовложений в добычу и переработку этого сырья, например, экономия кокса при вдувании восстановительного газа в доменную печь ведет к уменьшению капиталовложений в развитие коксохимического производства.

Таким образом, эксергия представляет собой некоторую универсальную меру энергетических ресурсов.

Химическую эксергию жидких и твердых отходов производства можно использовать в дальнейших производственных процессах: доменный шлак — для производства строительных материалов, сталеплавильный шлак — для выплавки чугуна, бытовые отходы — для получения синтез-газа для отопления городов.

Специалисты рассчитали потери эксергии балансовых углей и возможное ее сбережение для доменного процесса. Так, эксергия угля постадийно снижается от 100% в балансовых запасах до 78,0% в рядовых углях (т.е. 22% остается в недрах) и до 56,4% в доставленной обогащенной угольной шихте (т.е. 21,6% теряется при обогащении угля). И только 32,8% остаются в металлургическом скиповом коксе, поступающем в доменную печь, т.е. при термохимической переработке — коксовании потери достигают 23,6%. С учетом использования восстановительного газа потери при коксовании составляют 12,2%, эксергия скипового доменного кокса и восстановительного газа составит 45,0% (в полезную работу идет 45% от добытого угля).

В еще большей степени проявляются потери в пересчете на пластовые угли: от 100% в недрах до 37,4% в металлургическом коксе и восстановительном газе.

Весь энергетический комплекс от забоя или скважины до конечных потребителей энергии можно представить как процесс передачи эксергии от одного носителя к другому с постепенным или резким ее снижением или исчезновением.

Эксергетический баланс, на основании которого устанавливается масштаб использования сырьевых и энергетических ресурсов, указывает на возможность повышения коэффициента полезного действия процесса. Например, доменная печь является агрегатом с большим эксергетическим коэффициентом полезного действия (около 70%) благодаря противотоку шихты и газа в печи. Для сравнения: эксергетический коэффициент полезного действия электростанции в составе предприятия составляет примерно 25%. Эксергетический баланс доменной печи указывает на относительно высокие потери эксергии при сжатии и нагреве дутья, а также потери доменного газа и определяет пути ее сбережения.

Академик В.Легасов писал, что ныне существующая технология извлечения, переработки и использования богатств нашей планеты исчерпала свои возможности. Проводимые экономические реформы должны быть направлены на переход на новую модель развития с использованием эксергетической методологии. Такая модель базируется на экономном расходовании ресурсов благодаря повсеместному переходу на наукоемкие энерго- и ресурсосберегающие технологии. Это станет основой для перехода из индустриального общества в технологическое. Технология определяет дальнейшую судьбу человечества.

Существует немало примеров успешного применения эксергетической методологии при технико-экономической оптимизации в промышленности, особенно в энергоемких отраслях.

Потерю эксергии можно уменьшить за счет совмещения тепловых процессов. Совмещенный процесс непрерывной разливки стали с прокаткой на стане литой заготовки исключает необратимые потери тепла в окружающую среду при промежуточном дополнительном нагреве слитков перед прокаткой их на блюминге или слябинге на заготовки. Необратимые процессы потери эксергии могут быть также частично исключены благодаря совмещению технологических и тепловых процессов. При водяном охлаждении конструкций металлургических агрегатов, нагретых до высокой температуры, физическая эксергия охлаждения элементов остается неиспользованной из-за низкой температуры подогрева воды. Чтобы получить возможность использовать физическую эксергию охлаждающих элементов, необходимо осуществлять охлаждение с образованием пара.

В настоящее время стоимостные оценки не могут служить единственной мерой эффективности предприятий, перерабатывающих энергоресурсы. При изменении цен угля, газа, электроэнергии и транспортных расходов многие предприятия могут стать нерентабельными.

Эксергия является физическим, а не экономическим критерием, и определяет независимость этого параметра от конъюнктурных колебаний цен.

Эксергетический подход позволил выявить связи термодинамических характеристик технических объектов с технико-экономическими, а в последнее время и с экологическими. Основанные на этих связях методики позволяют решать задачи технико-экономической оптимизации производства.

Стоимостные показатели не позволяют осуществить долгосрочное прогнозирование. Типичный пример — толщина стен наших зданий и их теплозащитные свойства. При заниженных ценах на теплоту для отопления толщина стен выбиралась по минимуму приведенных затрат, поэтому проектировали здания с тонкими стенами и обилием стекла. Это была иллюзорная экономия — она многократно перекрывается перерасходом на производство тепла, особенно с ростом цен на энергоносители. В некоторых странах со сходными с Украиной климатическими условиями нормативы на толщину стен намного выше, чем у нас.

Определять минимум необходимо не денежными затратами, а затратами эксергии на единицу выданной теплоты. Непригодность только денежных критериев очевидна.

Все затраты на предотвращение и компенсацию ущерба, наносимого окружающей среде различными технологиями, должны включаться в затраты на осуществление этих технологий.

В некоторых ведущих европейских странах и в США эксергетический анализ ввели в качестве обязательной составляющей разрабатываемых проектов, а также планов модернизации производств. Используется он также при оценке природных ресурсов. (Например, геологический комитет США учитывает геотермальные ресурсы по их эксергии.) Даже Россия, обладая большими запасами природных энергоносителей, активно внедряет эксергетическую методологию для совершенствования нефтехимических производств.

Украина, которая относится к странам с ограниченными энергоресурсами, не уделяет этому вопросу достаточного внимания. В ряде случаев отсутствует необходимое для управления современным производством «эксергетическое мышление», позволяющее количественно учитывать не только расход, но и ценность различных видов энергии.

Применение эксергетической методологии для сравнения различных энергоисточников дает преимущество экологической схеме использования солнечной энергии.

Несмотря на большое значение эксергетической методологии в технико-экономической оценке энергосберегающих технологий, образовательные программы вузов не всегда включают изучение этой важной дисциплины.

Таким образом, эксергия представляет собой важный универсальный показатель эффективности энергоресурсов и производимой продукции, а эксергетическая методология может стать в дальнейшем основой для перехода от индустриального общества к технологическому.