2020-06-08
136
Энергия и энергоресурсы: энергия в жизненном цикле технического объекта; топливно-энергетические ресурсы; топлива для тепловых двигателей.
По мере развития человечества растут его потребности. Для их удовлетворения необходимо все больше энергии. Ограниченность невозобновляемых источников энергии, загрязнение окружающей среды продуктами жизнедеятельности человека и, прежде всего, продуктами, сопутствующими преобразованию энергии, а также выбрасываемой в окружающую среду теплотой определяют основную стратегию преодоления энергетического кризиса – сокращение потребления энергии в жизненном цикле технического объекта (ТО). При этом предполагается использование альтернативных – предпочтительно возобновляемых – источников энергии, а также применение новых технологий получения и преобразования энергии.
Деятельность человека вызывает изменение в окружающей его среде. Каждый технический объект проходит свой жизненный цикл (ЖЦ), который можно разделить на следующие стадии: маркетинг, проектирование, производство, функционирование, ликвидацию (утилизацию). В свою очередь каждая стадия может также состоять из отдельных этапов.
Так, стадию функционирования ТО можно представить совокупностью компонентов: выполнением рабочей функции (работы), обслуживанием и ремонтом.
Стадия ликвидации предполагает завершение функционирования ТО в силу:
P физического старения и, как следствие, невозможности обеспечения заданного уровня производительности;
P поломки, при которых нельзя его использовать в дальнейшем.
P морального старения, когда его производительность намного отстает от производительности новых ТО.
Она состоит из следующих элементов: разборка, сортировка, утилизация (повторное использование отдельных деталей и узлов, переработку с целью получения новых материалов или теплоты при их сжигании), компактирование и долговременное складирование и/или захоронение.
Любой ТО имеет две составляющие: информационную и материальную. Первая начинает активно формироваться на первых двух стадиях ЖЦ. Материальная форма ТО проявляется на стадии его производства.
В жизненном цикле ТО происходит постоянный обмен потоками информации, материи (вещества) и энергии.
Вещество необходимо для создания ТО. Исходно его следует добыть, переработать и изготовить из него элемент ТО. Это все предполагает затраты энергии. Работая, ТО потребляет энергию или топливо с окислителем. Он воздействует на окружающую среду продуктами функционирования – потоками теплоты, колебательной энергии, различных веществ, образующихся в результате преобразования исходных материалов (продуктами сгорания) и износа, а также израсходованных рабочих тел.
Потребление энергетических ресурсов сопровождает ТО на всех стадиях его жизненного цикла. Их роль и вклад в стоимость жизненного цикла ТО могут быть существенными. Стадия изготовления предполагает энергетические затраты на производство ТО. Косвенно в стоимость конструкционных материалов входят энергетические затраты на их производство. На стадии эксплуатации ТО, особенно автомобиля, первейшее значение приобретают вопросы экономии топлива. Так для автомобиля затраты на топливо составляют около 70% от стоимости всех затрат его ЖЦ.
Все вышесказанное настоятельно требует минимизации затрат энергии и вещества на всех стадиях ЖЦ технического объекта при его создании, работе, а также его ликвидации после принятия решений на завершение его функционирования. Это можно обеспечить применением прогрессивных инновационных технологий при создании информационной и материальной формы ТО, таких как CALS-технологии, принципы унификации и стандартизации, реализуемые при проектировании ТО, которые позволяют использовать готовые технические решения и детали, что снижает финансовые и материальные затраты и время на создание нового производства.
Топливно-энергетические ресурсы
Топливно-энергетические ресурсы представляют собой совокупность всех видов топлива и носителей энергии, которые используются в народном хозяйстве в настоящее время или могут быть использованы в перспективе. В соответствии с этим:
P топливо - топливный ресурс;
P носитель энергии - энергетический ресурс.
Энергоноситель
P вещество, находящиеся в различных агрегатных состояниях (твердое, жидкое, газообразное);
P иные формы материи (плазма, поле, излучение и т. д.), запасенная энергия которых может быть использована для целей энергоснабжения.
Бензин для:
ª ДВС –- дизельное топливо,
ª теплообменника – жидкий или газообразный теплоноситель.
Выделяют:
ó природный энергоноситель, который образовался в результате природных процессов;
ó произведенный энергоноситель, полученный как продукт производственного технологического процесса.
Топливно-энергетические ресурсы - совокупность природных и производственных энергоносителей, запасенная энергия которых при существующем уровне развития техники и технологии доступна для использования в хозяйственной деятельности.
Ресурсы могут быть природными или преобразованными из исходных видов топлива или энергии.
Машины-генераторы энергии преобразующие ресурсы могут быть:
P вервичными;
P вторичными.
Топливно-энергетические ресурсы могут быть невозобновляемыми и возобновляемыми.
Невозобновляемые топливно-энергетические ресурсы можно разделить на органические ископаемые углеводородные топлива иядерное топливо.
Органические ископаемые углеводородные топлива делятся на:
ó твердое (уголь, торф, сланцы, битуминозные пески);
ó жидкое нефтяного происхождения (нефтяной мазут, газовый конденсат, бензин, дизельное топливо):
P кислородосодержащие - спирты: этанол, метанол, эфиры;
P синтетические топлива при переработке угля, сланцев, битуминозных песков.
ó газообразное (природный горючий газ – метан, продукты переработки попутных газов и газов газоконденсатных месторождений – бутанпропановые и бутиленпропиленовые смеси).
В качестве газового топлива также могут использоваться водород, колошниковый, коксовый и даже канализационный газы, а также продукты неполного окисления твердых топлив (в газогенераторных автомобилях).
Топливо содержит:
P горючие элементы (углерод C, водород H, серу S в виде органических соединений);
P негорючую часть (смесь минеральных компонентов в виде золы и влаги);
P внутренний балласт (азот N, кислород O).
Для повышения эффективности использования топлива его обогащают, удаляя негорючие примеси.
Исходные твердые и жидкие топлива могут содержать и попутные газы.
Возобновляемые топливно-энергетические ресурсы – это природные энергоносители, постоянно пополняемые в результате естественных (природных) процессов. К ним относят:
P биоресурсырастительного происхождения: деревья, тростник, рапс, свекла и т.п.;
P энергию естественного движения водных потоков: рек, морских и океанских приливов;
P энергию ветра, солнца, теплота земли;
P энергию процессов природного происхождения, создающих градиенты температуры.
Вторичный энергетический ресурс представляет собой энергетический ресурс, являющийся:
P побочным продуктом основного производства;
P основным результатом производства повторного использования части исходного энергетического ресурса.
К альтернативным видам топлива относяттоплива, которые сокращают или замещают использование более дорогих и дефицитных видов энергетических ресурсов и, прежде всего, нефти. Такими топливами являются:
o сжатый и сжиженный газ;
o продукты переработки биомассы (спирты, масла и эфиры);
o биогаз;
o генераторный газ
o другие.
Баланс различных видов топлив, используемых в мире по мере развития человечества, постоянно изменяется.
Лидером до первой половины XX века был уголь.
Затем отмечен резкий рост потребления нефти, заметно снизившийся в 70-х годах XX века.
Эффективность использования того или иного топлива зависит от:
ü качества топлива;
ü специфики региона (мегаполис, сельская местность и т.п.);
ü количества потребителей топлива и возможности доставки топлива;
ü климатических особенностей региона;
ü разветвленности инфраструктуры для распределения топлива;
ü экологических аспектов.
Изменение запасов и потребление различных энергетических ресурсов на планете в различных странах со временем претерпевает существенное изменение. Оно определяется:
ü уровнем развития цивилизации в целом;
ü особенностями и политикой отдельных стран и регионов Земли;
ü устанавливаемыми при этом приоритетами.
При решении вопросов применения определенного вида топлива следует учитывать особенности региона, где оно используется.
Сегодня и по прогнозам до 2030 г. основная масса всех топлив, применяемых в тепловых двигателях, относится к органическим ископаемым или к продуктам их переработки.
За последние десятилетия в топливно-энергетическом комплексе России прослеживается тенденция к росту долей потребления нефти и природного газа.
В 1950 г. потребление нефти составляло 17,4 % от общего потребления топлив органического происхождения, природного газа – 2,3 %, угля и сланцев – 66,1 %.
В 1970 г. эти показатели были уже соответственно равны 41,1%, 19,1 %, 35,4 %.
В настоящее время эти распределение долей: нефть – >45 %, природный газ – >25%, уголь и сланцы – <25%.
Гидроресурсы и атомная энергетика - растущий сегмент топливного баланса страны. Доля их относительно невелика. Следует учитывать проблемы безопасности региона, в котором они создаются.
В современном мировом балансе существенно растет доля потребления природного газа. Для России его все более широкое использование является весьма желательным. Однако для этого необходимо выполнить большой комплекс работ по разработке двигателей, питаемых газом, а также по развитию инфраструктуры заправок газом. С учетом обширной территории страны это требует значительных затрат.
Биотоплива, получаемые из биомассы растений (деревьев, тростника, рапса и т.п.). Для их производства требуются значительные посевные площади, изъятие которых вызывает рост цен на сельхозпродукцию.
Электрическая энергия используемая в качестве энергоносителя двигателей транспортных средств. Ее применение эффективно в определенных условиях эксплуатации транспортных средств, особенно там, где имеются решающие экологические ограничения.
В мире наметился устойчивый интерес к использованию энергии ветра, Солнца, геотермальной энергии и энергии приливов. Их доля в топливном балансе общества очень мала.
Применение любого топлива всегда требует комплексного решения вопросов:
ü разработки двигателей, питаемых данным топливом;
ü получения и соответствующей подготовки топлива для этих двигателей;
ü формирования инфраструктуры заправок данным топливом;
ü учета специфики зоны или региона, где будут эксплуатироваться данные двигатели, включая экологические аспекты.
Источниками производства энергетических ресурсов являются:
P двигатели внутреннего и внешнего сгорания;
P теплоэлектростанции;
P гидроэлектростанции;
P ветровые и атомные станции.
В балансе энергетики развитых стран растет доля возобновляемых источников энергии.
Наметился резкий рост потребления топлива в активно развивающихся странах с большим населением (Китай, Индия), что дестабилизирует мировой рынок топлива.
Качество топлива существенным образом влияет на достижение заданных (особенно экологических) характеристик двигателя. Поэтому в развитых странах принимаются специальные законодательные требования к качеству топлива.
Потребители и энергосбережение топливно-энергетических ресурсов: потребители энергетических ресурсов и энергосбережение; показатели энергосбережения; нормы и нормативы расхода энергоресурсов; примеры показателей энергосбережения различных типовых групп; основные пути энергосбережения в технике.
Энергопотребление
Энергопотребление это процессы использования энергии и/или энергоносителей в жизненном цикле технического объекта (процесса).Энергопотребление рассматривает пути использования энергии или энергоносителей. Применительно к технике энергопотребление охватывает процессы потребления топлив или энергии при эксплуатации изделий, их изготовлении, транспортировке и утилизации.
Потребителями топливно-энергетических ресурсов являются:
P промышленность (технологический разогрев материалов, привод машин);\
P транспорт (ДВС);
P жилищно–коммунальный комплекс (освещение, привод машин, отопление).
Изделия, потребляющие топливо (энергию) используют для:
ò производства продукции;
ò осуществления различного вида работ (процессов, оказания услуг);
ò преобразования одних видов энергии в другие;
ò создания энергоносителей.
В зависимости от места изделий (технических объектов) в цепи преобразования и передачи энергии топлива к потребителям их можно разделить по следующим группам:
ó потребляющие различные видытоплива для:
ò производства энергии (котельные установки, двигатели внутреннего сгорания, дизельгенераторы, газотурбинные установки и т.п.);
ò выполнения работы (автомобили, тракторы, тепловозы и т.п.);
ò производства продукции (плавильные и обжиговые печи, технологическое оборудование и т.п.);
ò достижения полезного эффекта (печи сушильные, газовые горелки, мазутные форсунки и т.п.);
ó использующие энергию для:
ò преобразования в другие виды энергии (паровые, гидравлические, газовые турбины, генераторы, электродвигатели и т.п.);
ò выполнения работы (насосы, компрессоры, электровозы, металлообрабатывающие станки, электрические краны и т.п.);
ò производства продукции (электрические плавильные печи, мельницы, фасовочные автоматы и т.д.);
ò достижения полезного эффекта (пылесос, холодильник, кондиционер и т.п.);
ó участвующие в передаче и распределении энергии и/или изменения ее параметров: ò оборудование энергосистем или локальных систем энергосбережения, непосредственно участвующие в передаче и распределении или преобразовании электроэнергии (трансформаторы, провода линий электропередачи, статические преобразователи и т.п.); ò теплообменные аппараты, трубопроводы для передачи энергоносителя (пара, газа, воды, воздуха и т.п.); ò механизмы (зубчатые передачи, редукторы, фрикционные передачи и т.п.).
Для обеспечения жизненного цикла технических объектов и процессов требуются затраты энергии, которые можно разделить на прямые и непроизводительные.
Ø Прямые энергозатраты представляют собойзатраты энергии, которые включают все расходы энергоресурсов по рассматриваемому технологическому процессу или объекту (техническому или хозяйственному), приведенные к условному топливу.
Применительно к автомобильному транспорту энергия затрачивается при получении конструкционных материалов, необходимых для изготовления транспортного средства.
Также энергия необходима при осуществлении технологических процессов изготовления автомобиля и для обеспечения его нормальной технической эксплуатации (функционирования).
Некоторое количество энергии затрачивается при проведении технического обслуживания и ремонта автомобиля.
Следует учесть также энергию, пошедшую на получение эксплуатационных материалов.
После завершения функционирования автомобиля, отслужившего свой срок или морально устаревшего, при его разборке и получении вновь конструкционных материалов, но уже не из руды (первичного сырья), а из металлолома (вторичного сырья) также необходимо затратить определенное количество энергии.
Приблизительная оценка энергозатрат на получение основных конструкционных материалов, а также топлив и масел в кВт×ч из расчета на 1 кг материала, дана в табл. 10.1. Также в этой таблице представлены затраты энергии на получение материалов из вторичного сырья.
Таблица 1. Расход энергии, (кВт∙ч)/кг, на получение 1 кг ряда материалов
| Конструкционные материалы | Эксплуатационные материалы | ||||||||
| Сталь, чугун | Алюминий | Медь | Свинец | Пластмассы | Резина | Топливо дизельное | Бензин | СПГ | Масло |
| 15,2 | 58 | 26 | 23 | 33,7 | 41 | 3,5 | 5 | 0,2 на 1м3 | 49,6 |
| 11,5 | 15 | 22 | 20 | 2,5 | |||||
| (вторичное использование) |
| (регенерация) | |||||||
При производстве деталей автомобилей и двигателей средние затраты энергии в кВт на 1 кг массы составляют: при литье – 7,26; при ковке и термообработке – 0,46; при механической обработке – 0,51; при сборке – 0,17.
Каждые 1000 км пробега автомобиля требуют расхода 240..350 кВт×ч энергии, которые связаны с расходом эксплуатационных материалов, запасных частей, а также с осуществлением технологических процессов вовремя обслуживания и текущего ремонта.
Энергозатраты за период жизненного цикла (от изготовления до утилизации) составляют на один легковой автомобиль в зависимости от его типа 100000..150000 кВт×ч, грузовой автомобиль – 150000..500000 кВт×ч; автобус – 300000..600000 кВт×ч. Для производства среднего легкового автомобиль требуется 2 т топлива, а за время эксплуатации он потребляет 9,3 т горючего.
Ø Непроизводительные расходы энергетических ресурсов обусловлены несоблюдением требований, установленных государственными стандартами, технологическими регламентами, паспортными данными для действующего оборудования и иными нормативными актами.
Для снижения энергозатрат следует использовать энергоэффективные технологии, использующие меньшее количество энергоресурсов для их осуществления, а также соблюдать соответствующие требования к особенностям фукционирования и обслуживания технического объекта.
Энергосбережение
Очевидно, что вся деятельность человека должна быть направлена на эффективное использование энергетических ресурсов в технике - достижение экономически оправданной эффективности использования энергетических ресурсов на всех стадиях ЖЦ технических объектов при существующем уровне развития техники и технологии, а также соблюдении требований к охране окружающей природной среды.
Энергосбережение предполагает реализацию комплекса правовых, организационных, научных, производственных, технических и экономических мер, направленных на эффективное использование топливно-энергетических ресурсов и на вовлечение в хозяйственный оборот возобновляемых источников энергии.
В техникеэнергосбережениереализуется производственными и техническими мероприятиями, направленными на эффективное и экономное использование энергетических ресурсов на всех стадиях ЖЦ технических объектов. В нашей стране указанные мероприятия регламентируются следующими стандартами: ГОСТ Р 51379-99, ГОСТ Р 51380-99, ГОСТ Р 51387-99, ГОСТ Р 51388-99, ГОСТ Р 51541-99.
