Энергопотребление

Расход энергии на действующее или проектируемое производство является одной из наиболее важных характеристик. Особое значение это имеет для Российской Федерации. Удельная энергоемкость внутреннего валового продукта (ВВП) в России в 2-3 раза выше, чем в США и Западной Европе. При этом ссылки на климатические условия не убеждают. Не менее суров климат Канады. Между тем эта страна потребляет 330-340 млн т у.т., а Россия - 860-870 млн т у.т.; при этом ВВП России меньше, чем у Канады. По количеству сжигаемых первичных топливно-энергетических ресурсов наша страна прочно удерживает третье место в мире после США и Китая с его миллиардным населением, поглощая эти ресурсы больше, чем все страны Европейского сообщества, вместе взятые. Доля энергии в себестоимости валового продукта Российской Федерации и стран СНГ достигает 50%, в то время как в развитых странах - менее 5%. У нас без всякой пользы уничтожается, выбрасывается на ветер от 460 до 540 млн т у.т. ежегодно.

Первопричина такой расточительности - в пороках затратной экономики. Например, общие расходы энергии на производство и продажу 1 кг хлеба в агрохимическом комплексе (начиная от снегозадержания на полях, вспашки, посева, внесения удобрений, уборки, транспортировки и хранения зерна до транспортировки и продажи готовой продукции) составляют 2,5 кг у.Т. (в Европе и США - 0,2-0,3 кг у.т.). Аналогичные pacчеты относительно 1 кг молока дают расход 1,5 кг у.т.

В 1990-1998 гг. энергоемкость промышленного производства России выросла на 46%.

Наиболее эффективное направление энергосбережения - уменьшение расхода энергии путем совершенствования технологических процессов и оборудования.

Мировой опыт убедительно показывает, что экономии, например электроэнергии, невозможно достичь регулированием отопления, своевременного отключения света в помещениях и т.д.; эффект такой экономии в сумме не более 4-5% общего энергопотребления, зато возникает масса неудобств. Надо производить ту же продукцию и обеспечивать те же услуги при меньших удельных энергозатратах. После мирового энергетического кризиса 1973-1974 гг. автомобильные компании США с 1975 по 1985 г. путем совершенствования конструкций автомобилей добились снижения расхода бензина с 18,2 до 8,2 л /100 км пробега, что снизило потребление нефти на 2 млн барреля в сутки, или почти на 12%. Современные доменные печи с высоким уровнем технологии управления процессом расходуют энергоносителей на 10-20% меньше, чем печи с ведением процесса устаревшими методами. Анализ вновь разрабатываемых процессов жидкофазного восстановления черных металлов показывает, что расчетный расход энергии в них отличается на 10-50%.

Значительные резервы сокращения расхода энергоносителей в металлургии России имеются также в сталеплавильном производстве (замена мартеновского производства конверторным позволяет снизить расход условного топлива на 0,1-0,12 т у.Т. на 1 т стали), в электросталеплавильном производстве (удельный расход электроэнергии в России - 660-670 кВт'ч/т, Т.е. выше, чем в Японии и Германии, на 15-25%, что объясняется наличием большого количества маломощных дуговых электропечей с устаревшей двухшлаковой технологией и отсутствием внепечной обработки стали). Устарели, морально и физически изношены агрегаты энергохозяйств предприятий промышленности. Так, около 40% котлов и турбоагрегатов черной металлургии находятся в эксплуатации почти 50 лет.

Совершенствование структуры энергопотребления. Распределение энергоисточников между отраслями промышленности и предприятиями отрасли складывал ось хаотично. Например, в черной металлургии распределение происходило на основе приоритетности технологических характеристик топлив, Т.е. удобства его использования в основном производстве. Именно этим можно объяснить повышенную долю газообразного топлива на крупных металлургических предприятиях России и соответственно значительный объем низкокалорийных твердых топлив на предприятиях мини- и микрометаллургического профиля. Между тем мировая практика показывает, что при приоритете эффективности энергопотребления все складывается как раз наоборот.

Приоритеты энергосбережения вынуждают еще раз рассмотреть будущее различных производственных процессов, основанных на преимущественном использовании электроэнергии. Так, в черной металлургии получение стали в различных электропечах, получение ферросплавов проводится по схеме: добыча и подготовка энергоносителя → транспортировка энергоносителя к тепловым электростанциям → производство электроэнергии → транспортировка электроэнергии → перевод электроэнергии в тепловую в электрометаллургических печах. Потери энергии на каждом этапе этой металлургической цепочки обусловливают крайне низкий КПД использования энергоносителя (не выше 20-25%).

Еще менее выгодно использование "энергоемких" интенсификаторов производства, таких, как повышенная подача кислорода. Известно, что для получения 1000 м³ кислорода требуется затратить 700-1000 кВт'ч электроэнергии. Некоторые процессы, например, жидко фазное получение чугуна вне доменных печей, требуют для получения 1 т чугуна 800-1000 м³ кислорода, что вызывает суммарный расход только электроэнергии на 1 т чугуна в 1,5-2 раза выше, чем для производства стали в электропечах.

Подобные рассуждения можно привести и в случае использования низкотемпературной плазмы и др.

В табл. 5.1 приведено распределение энергии между различными подразделениями предприятия на примере завода ОАО "Северсталь".

Таблица 5.1 Распределение электроэнергии на предприятии между потребителями (ОАО "Северсталь", 1998 г.)

Потребители электроэнергии	Доля потребляемой электроэнергии, %
Технологические операции производства конечной продукции	44,7
Системы, обеспечивающие необходимые условия трудовой деятельности (аспи-рационные системы, вентиляция и др.)	7,1
Вспомогательные производства, ремонтные службы, службы автоматизации, а также потери в сетях	34,1
Муниципальный (социальный) сектор	14,1

Использование вторичных энергоресурсов. Это направление имеет хорошие перспективы в будущем. Фактическое использование вторичных энергоресурсов (ВЭР) в черной металлургии России составляет в настоящее время 12-16% и осуществляется в основном за счет использования котлов-утилизаторов (около 55%) и систем испарительного охлаждения (около 30%). Практически не используются: тепло газов конвертерных и ферросплавных печей, пара, шлаков, воды (в том числе воды, охлаждающей кристаллизаторы машин непрерывного литья заготовок). Не используется также тепло готового проката; тепла теряется в 2,5 раза больше, чем всего утилизируется. Невелика доля использования энергии давления отходящих газов, несмотря на многолетний опыт применения, например, такого эффективного устройства, как газовые утилизационные бескомпрессорные турбины (ГУБТ), которыми в настоящее время оборудованы 25% доменных печей России. По данным Московского института стали и сплавов, для предприятий ОАО "Северсталь" доля ВЭР в энергии, необходимой для производства готовой продукции, не превышает 12%, а собственно уровень использования ВЭР составляет 15-20%. Между тем, по современным оценкам, для черной металлургии доля ВЭР в производстве энергии для получения черных металлов может достигать 50-55%..

Выработка электроэнергии на проuзводственных предприятиях. Все крупные металлургические предприятия полного цикла в России имеют в своем составе тепловые электростанции, но при этом обеспечивают себя электроэнергией, как правило, только на 40-50%. Необходимость привлечения электроэнергии "со стороны" приводит К естественным ее потерям при транспортировке. Однако получение электроэнергии непосредственно на предприятии связано с его мощностью и целесообразно лишь на крупных производствах.

Комnлексное использование топлива. Проблема комплексной переработки, особенно твердых топлив, имеет чрезвычайно важное значение. В частности, являясь самым распространенным видом ископаемых топлив, уголь имеет низкий уровень рентабельности, его промышленный потенциал в настоящее время используется крайне нерационально.

Во-первых, до сих пор не разработаны эффективные промышленные способы газификации углей и других видов топлив.

Во-вторых, при сжигании углей в современных топочных агрегатах полностью теряются летучие компоненты, являющиеся ценнейшим сырьем для химической промышленности.

В-третьих, переходят в неутилизируемые отходы многочисленные примесные микроэлементы, потенциально ценные для современной индустрии и в то же время потенциально опасные для природной среды и здоровья человека.

Организованный контроль за поведением примесей, поступающих с твердым топливом в производственный процесс, позволяет давать сведения о возможности их текущего или последующего извлечения.

Энергоэффективность производства тесно связана с количеством выбpacывaeмыx в окружающую среду парниковых газов. Известно, что выбросы основного парникового газа - диоксида углерода СО2 - специально не контролируются и не учитываются. Между тем методика расчета экобаланса, приведенная в разделе 4.2.5, позволяет определить баланс углерода, а знание количества выхода СО и СО₂из единицы углерода для конкретных технологий и агрегатов дает возможность более точно определить выбросы в атмосферу СО2, а также уточнить эмиссию СО.

Пример составления баланса углерода с определением количества выбросов СО и СО2 для условий металлургического завода полного цикла, расположенного в Европейской части России, приведен в табл. 5.2.

Анализ деятельности предприятий черной металлургии России на основе составления баланса углерода позволяет выявить различные характеристики энергоэффективности производств и действительные выбросы оксидов углерода в атмосферу:

1. Суммарный расход углерода на производство 1 т железа в виде проката (от момента извлечения сырья из недр до выхода проката с территории предприятия, включая добычу энергоисточников, производство и передачу энергии и транспорт сырых материалов) на предприятии полного цикла для условий Европейской части России составляет от 1300 до 1700 кг.

2. Суммарный расход углерода на производство 1 т железа в виде концентрата на ГОКах Центра России составляет 220-270 кг.

3. От 4 до 7% углерода теряется в виде шламов, выбросов пыли и т.п., что ранее в балансах т у.т. не учитывалось.

4. Расход углерода на выработку электроэнергии, необходимой для функционирования всего металлургического комплекса предприятия полного цикла, составляет не менее 35 % общего прихода углерода.

5. Выбросы диоксида углерода - "основного парникового газа'" - для металлургических предприятий полного и неполного циклов составляют 80-87% общего расхода углерода, а для ГОКов - 95-98%. При общем объеме производства проката в России около 35 млн т в год выбросы СО2 предприятиями черной металлургии составляют примерно 45-50 млн т углерода в год, или около 8,5% общего количества выбросов в России. Если оценить выбросы собственно металлургических предприятий без учета внешних энергозатрат (транспорт, производство и передача энергии и др.), эта величина снижается до 6-6,5%.

Выше упоминались решения Международной конференции стран-участниц Конвенции по изменению климата (Киото, 1997 г.) о квотах на выброс парниковых газов различными странами в 2008-2012 гг. Необходимо

Таблuца5.2 Баланс углерода при производстве стального проката в условиях Европейской части России

Статья баланса	расход углерода
кг/т железа	масс. %
Приход
угольный концентрат для коксования		51,45
Природный газ		9,25
Мазут топочный		0,1
Энергоресурсы для сжигания на собственных ТЭЦ (ТЭС и т.п.) в пересчете на углерод "условного топлива"		7,65
Электрознергия- из внешних сетей R пересчете на углерод "условного топлива"*		23,4
Взрывчатые вещества		0,05
Горючесмазочные материалы, масла, спирты и Т.п.		0,45
Дизельное топливо, керосин и т.П. для осуществления транспортных пере возок		1,95
Железорудные материалы, ферросплавы, металлолом и т.п.		0,3
Флюсы		5,4
Итого
Расход
Готовая продукция		0,1
Попутная продукция КХП		2,1
Шламы и ЗШО от сжигания и углепереработки		2,85
Пыль, шламы, золы, спель и прочие твердые материалы, не утилизируемые в рамках производственного рециклинга**		1,65
Выбросы в атмосферу в виде СО		7,0
Выбросы в атмосферу в виде СО2 В том числе: при сжигании для производства электрической и тепловой энергии при агломерации при переработке флюсов при сжигании доменного и коксового газов потери газов (в том числе технологические)		86,3 54,3 6,3 3,5 15,7 6,5
Итого

* Свыше 60% электроэнергии, используемой при производстве черного металла в Центральной части РФ, производится на АЭС.

** Около 60 кг углерода на 1 т железа циркулирует в производственном цикле в рамках рециклинга.

отметить, что обязательства России перед мировым сообществом не только выполнены, но и перевыполнены, так как выбросы в Российской Федерации к 1997 г. составляли лишь 70% уровня 1990 г. (квота России). При этом Российская Федерация имеет огромные резервы для снижения энергопотребления и, следовательно, дальнейшего существенного снижения выбросов парниковых газов. Это позволяет России активно участвовать в системе "joint implementation" - "совместного осуществления", которая все шире применяется в последние годы при реализации межгосударственных соглашений по охране окружающей среды.

Принцип заключается в том, что если несколько стран принимают на себя какие-либо обязательства (в соответствии с международной договоренностью), то их выполнение облегчается совместно скорректированными действиями. Например, сокращение выбросов парниковых газов происходит следующим образом (Данилов-Данильян, 1998 г.).

Страна А должна сократить годовые выбросы СО2 на величину а тонн, страна В - на величину b тонн. Страна А уже потратила значительные средства на энергосбережение, поэтому новые вложения дают не слишком значительную экологическую отдачу (все "сливки" уже сняты) и снижение годовых выбросов на 1 т СО2 обходится в т долларов инвестиций. Страна В только начинает серьезные инвестиции в энергосбережение, здесь затраты на 1 т снижения выбросов - п долларов. Таким образом, п < т..

Если страны выполняют обязательства независимо друг от друга, то общая сумма затрат составит

ат + bп.

Однако если сокращение выбросов на величину этих обязательств, т.е. а + b тонн, осуществить только в стране В (там, где дешевле), то затраты составят (а + b)п и будет получена экономия:

(а. т + bп) - (а + b). п = а(т - п) долларов.

Возможно, что страна А вместо того чтобы за а. т долларов провести необходимые мероприятия у себя, потратит а. п долларов в стране В с таким же экологическим эффектом. Тем самым страна В получит а. п инвестиций, а страна А сэкономит а(т - п) долларов на выполнение, своих обязательств.

Однако такие инвестиции должны иметь не только экологическое значение, поскольку преимущества новых технологий обычно имеют более широкий характер. Поэтому вполне возможно участие в таких инвестициях и страны В. Например, страна А оплатит долю К (О < К < 1), а страна В - долю (1 - К). Тогда для выполнения обязательств страны А по сокращению выбросов в объеме а тонн будут вложены инвестиции в объеме а. п долларов в стране В, причем страна А оплатит из них К. а. п долларов, а страна В - (1-К). а. п долларов.

Приведенные рассуждения иллюстрируют чрезвычайно важную мысль: природоохранное (и не только оно!) сотрудничество может быть выгодным. При этом необходима заинтересованность конкретных компаний и предприятий в таком сотрудничестве с внешними инвесторами, которое именуется "торговля квотами и выбросы". По имеющимся данным, стоимость 1 т углерода на рынке квот колеблется от 10 до 50 долларов.