|
| |
|
Главная -> Экология
Прогноз устойчивого развития мир. Переработка и вывоз строительного мусораГ. П. Васильев, Н. В. Шилкин В ближайшее время в России одним из перспективных направлений энергообеспечения может стать применение теплонасосных систем теплоснабжения (ТСТ), использующих повсеместно доступный источник тепла – грунт поверхностных слоев земли. Можно выделить два вида тепловой энергии земли – высокопотенциальную и низкопотенциальную. Источником первой являются гидротермальные ресурсы – т. е. воды, нагретые в результате геологических процессов до высокой температуры. Однако использование высокопотенциального тепла земли ограничено определенными геологическими районами. В России это, например, Камчатка и район Кавказских минеральных вод. В Европе горячие источники есть в Венгрии, Исландии и Франции. В отличие от гидротермальных ресурсов использование низкопотенциального тепла земли возможно практически повсеместно – посредством тепловых насосов. Низкопотенциальное тепло земли может использоваться в различных типах зданий и сооружений для отопления, горячего водоснабжения, кондиционирования (охлаждения) воздуха, обогрева дорожек в зимнее время года, предотвращения обледенения, подогрева полей на открытых стадионах и т. п. Тепловые насосы в европейских странах работают в основном в режиме отопления (в США же тепловые насосы чаще используются в системах воздушного отопления, совмещенного с вентиляцией, что позволяет как подогревать, так и охлаждать наружный воздух). Обычно тепловые насосы применяются в системах водяного отопления. Поскольку эффективность тепловых насосов увеличивается при уменьшении разности температур испарителя и конденсатора, часто для отопления зданий используются системы напольного отопления, в которых циркулирует теплоноситель относительно низкой температуры (35-40 °C). Дом с подогревом За последние десять лет количество систем, использующих для тепло- и холодоснабжения зданий низкопотенциальное тепло земли, значительно увеличилось. Наибольшее число таких систем используется в США. Кроме того, они функционируют в Канаде, Австрии, Германии, Швеции и Швейцарии. В России же построены лишь единичные объекты. Так, например, в Москве в микрорайоне Никулино-2 впервые была построена теплонасосная система горячего водоснабжения многоэтажного жилого дома. Этот проект был реализован в 1998-2002 годах Министерством обороны РФ совместно с правительством Москвы, Минпромнауки России, НП «АВОК» и ОАО «Инсолар-Инвест» в рамках «Долгосрочной программы энергосбережения в г. Москве». В качестве низкопотенциального источника тепловой энергии для испарителей тепловых насосов здесь используется тепло грунта поверхностных слоев земли, а также тепло удаляемого вентиляционного воздуха. Установка для подготовки горячего водоснабжения расположена в подвале здания. Она включает в себя следующие основные элементы: – парокомпрессионные теплонасосные установки (ТНУ); – баки-аккумуляторы горячей воды; – системы сбора низкопотенциальной тепловой энергии грунта и низкопотенциального тепла удаляемого вентиляционного воздуха; – циркуляционные насосы, контрольно-измерительную аппаратуру. Основным теплообменным элементом системы сбора низкопотенциального тепла являются вертикальные грунтовые теплообменники коаксиального типа, расположенные снаружи по периметру здания. Эти теплообменники представляют собой 8 скважин глубиной от 32 до 35 метров каждая, устроенных вблизи дома. Поскольку режим работы тепловых насосов, использующих тепло земли и тепло удаляемого воздуха, постоянный, а потребление горячей воды переменное, система горячего водоснабжения оборудована баками-аккумуляторами. Как земля добывает тепло? В качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии могут использоваться подземные воды с относительно низкой температурой либо грунт поверхностных (глубиной до 400 м) слоев земли. Теплосодержание грунтового массива в общем случае выше. Тепловой режим грунта поверхностных слоев земли формируется под действием двух основных факторов – падающей на поверхность солнечной радиации и потока радиогенного тепла из земных недр. Сезонные и суточные изменения интенсивности солнечной радиации и температуры наружного воздуха вызывают колебания температуры верхних слоев грунта. Глубина проникновения суточных колебаний температуры наружного воздуха и интенсивности падающей солнечной радиации в зависимости от конкретных почвенно-климатических условий колеблется в пределах от нескольких десятков сантиметров до полутора метров. Глубина проникновения сезонных колебаний температуры наружного воздуха и интенсивности падающей солнечной радиации не превышает, как правило, 15 – 20 м. Температурный режим слоев грунта, расположенных ниже этой глубины («нейтральной зоны»), формируется под воздействием тепловой энергии, поступающей из недр земли, и практически не зависит от сезонных, а тем более суточных изменений параметров наружного климата. С увеличением глубины температура грунта возрастает в соответствии с геотермическим градиентом (примерно 3 °C на каждые 100 м). Величина потока радиогенного тепла, поступающего из земных недр, для разных местностей различается. Для Центральной Европы эта величина составляет 0,05-0,12 Вт/м2. Системы использования тепловой энергии Грунтовые теплообменники связывают теплонасосное оборудование с грунтовым массивом. Кроме «извлечения» тепла земли, грунтовые теплообменники могут использоваться и для накопления тепла (или холода) в грунтовом массиве. В общем случае можно выделить два вида систем использования низкопотенциальной тепловой энергии земли: – открытые системы: в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии используются грунтовые воды, подводимые непосредственно к тепловым насосам; – замкнутые системы: теплообменники расположены в грунтовом массиве; при циркуляции по ним теплоносителя с пониженной относительно грунта температурой происходит «отбор» тепловой энергии от грунта и перенос ее к испарителю теплового насоса (или, при использовании теплоносителя с повышенной относительно грунта температурой, его охлаждение). Основная часть открытых систем – скважины, позволяющие извлекать грунтовые воды из водоносных слоев грунта и возвращать воду обратно в те же водоносные слои. Обычно для этого устраиваются парные скважины. Достоинством открытых систем является возможность получения большого количества тепловой энергии при относительно низких затратах. Однако такие скважины требуют обслуживания. Кроме того, использование этих систем возможно не везде. Главные требования к грунту и грунтовым водам таковы: – достаточная водопроницаемость грунта, позволяющая пополняться запасам воды; – хороший химический состав грунтовых вод (например, низкое железосодержание), позволяющий избежать проблем, связанных с образованием отложений на стенках труб и коррозией. Открытые системы чаще используются для тепло- или холодоснабжения крупных зданий. Самая большая в мире геотермальная теплонасосная система использует в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии грунтовые воды. Она расположена в США, в г. Луисвилле, и используется для тепло- и холодоснабжения гостинично-офисного комплекса; ее мощность составляет примерно 10 МВт. Иногда к системам, использующим тепло земли, относят и системы использования низкопотенциального тепла открытых водоемов, естественных и искусственных. Замкнутые системы Замкнутые системы делятся на горизонтальные и вертикальные. Горизонтальный грунтовой теплообменник устраивается, как правило, рядом с домом на небольшой глубине (но ниже уровня промерзания грунта в зимнее время). Использование горизонтальных грунтовых теплообменников ограничено размерами имеющейся площадки. В странах Западной и Центральной Европы горизонтальные грунтовые теплообменники обычно представляют собой отдельные трубы, положенные относительно плотно и соединенные между собой последовательно или параллельно. Для экономии площади были разработаны усовершенствованные типы теплообменников, например теплообменники в форме спирали, расположенной горизонтально или вертикально. Вертикальные грунтовые теплообменники позволяют использовать низкопотенциальную тепловую энергию грунтового массива, лежащего ниже «нейтральной зоны» (10 – 20 м от уровня земли). Системы с вертикальными грунтовыми теплообменниками не требуют участков большой площади и не зависят от интенсивности солнечной радиации, падающей на поверхность. Они эффективно работают практически во всех видах геологических сред, за исключением грунтов с низкой теплопроводностью, например, сухого песка или гравия. Теплоноситель циркулирует по трубам (чаще всего полиэтиленовым или полипропиленовым), уложенным в вертикальных скважинах глубиной от 50 до 200 м. Обычно используется два типа вертикальных грунтовых теплообменников: – U-образный, представляющий собой две параллельные трубы, соединенные в нижней части. В одной скважине располагаются одна или две пары таких труб. Преимуществом такой схемы является относительно низкая стоимость изготовления. – Коаксиальный (концентрический) теплообменник. Простейший коаксиальный теплообменник представляет собой две трубы различного диаметра. Труба меньшего диаметра располагается внутри другой трубы. Для увеличения эффективности теплообменников пространство между стенками скважины и трубами заполняется специальными теплопроводящими материалами. Системы с вертикальными грунтовыми теплообменниками могут использоваться для тепло- и холодоснабжения зданий различных размеров. Для небольшого здания достаточно одного теплообменника, для больших зданий может потребоваться устройство целой группы скважин с вертикальными теплообменниками. Самое большое в мире число скважин используется в системе тепло- и холодоснабжения «Richard Stockton College» в США. Вертикальные грунтовые теплообменники этого колледжа располагаются в 400 скважинах глубиной 130 м. В Европе наибольшее число скважин (154 скважины глубиной 70 м) используются в системе тепло- и холодоснабжения центрального офиса Германской службы управления воздушным движением. Частным случаем вертикальных замкнутых систем является использование в качестве грунтовых теплообменников строительных конструкций, например фундаментных свай с замоноличенными трубопроводами. Грунтовой массив и строительные конструкции с грунтовыми теплообменниками могут использоваться не только как источник, но и как естественный аккумулятор тепловой энергии или «холода», например тепла солнечной радиации. Другие варианты использования Существуют системы использования низкопотенциального тепла земли, которые нельзя однозначно отнести к открытым или замкнутым. Например, одна и та же глубокая (глубиной от 100 до 450 м) скважина, заполненная водой, может быть как эксплуатационной, так и нагнетательной. Диаметр скважины обычно составляет 15 см. В нижнюю часть скважины помещается насос, посредством которого вода из скважины подается к испарителям теплового насоса. Обратная вода возвращается в верхнюю часть водяного столба в ту же скважину. Происходит постоянная подпитка скважины грунтовыми водами, и открытая система работает подобно замкнутой. Одно из перспективных направлений – использование в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии воды из шахт и туннелей. Температура этой воды постоянна в течение всего года. При этом вода из шахт и туннелей легко доступна. Таким образом, в мире накоплен достаточный опыт, разработано несколько вариантов конструкций систем тепло- и холодоснабжения зданий, использующих низкопотенциальное тепло земли. Эти системы представляют собой надежный источник энергии, который может быть использован в течение достаточно длительного времени и повсеместно – в том числе и в России.
1. Общий прогноз. Абсолютно необходимо сделать так, чтобы мировая энергосистема перестала оказывать значительный экологический урон окружающей среде и при этом обеспечила бы всеобщую потребность в энергии в течение нескольких десятилетий. Это будет наилучшим выходом из сложившейся ситуации, когда необходимо остановить изменение климата, вызванное деятельностью человека, до приемлемого уровня и решить проблему обеспечения энергией. Сегодня у нас есть более продвинутые технологии, чем когда-либо, для достижения этих целей с помощью увеличения энергоэффективности и использования возобновляемой энергии. Предложения различных ученых и исследователей по уменьшению выбросов углекислого газа в атмосферу основываются на увеличении энергоэффективности и использовании возобновляемой энергетики. На основе этих предложений и исследований INFORCE предлагает стратегию достижения 100% выработки энергии в мире за счет возобновляемых источников к 2050г. и, соответственно, 100% сокращение выбросов СО2 . Повсеместное внедрение новых, эффективных технологий приведет к значительному снижению их стоимости, так как они станут массовым серийным продуктом. Инвестиции, необходимые для выведения на рынок устойчивых технологий, окупятся за счет появления более дешевых технологий в будущем. Сегодня есть острая необходимость в изменении вектора крупных инвестиций. Нужно направить их в производство возобновляемой энергии и энергоэффективного оборудования, в том числе и в производство оборудования для возобновляемой энергетики в развивающихся странах. Глобальная смена энергетического курса возможна за период около 50 лет. Результатом изменений станет увеличение стабильности в обеспечении энергией. Кроме того, предельные затраты для общества будут снижены, и могут стать даже отрицательными в том случае, если реформы будут тщательно спланированы и станут неотъемлемой частью модернизации производства. Все это потребует значительных начальных инвестиций и разработки долгосрочных стратегий. Так же потребуется кардинальное изменение систем производства и поставки энергии вместе с энергопотребляющим оборудованием. Все это требует наличия воли у политического руководства стран мира. Прогноз INFORCE до 2050г. основан на мировом сценарии развития возобновляемой энергии, которая, при условии ее эффективного использования, сможет удовлетворить потребность в энергии более 9 млрд. человек. Для ряда европейских стран, как и для ЕС в целом, INFORCE и его члены разработали прогнозы с детальным описанием возможных энергетических балансов на каждое десятилетие вплоть до 2050г. Рис. 1. Источники энергии в развитых и развивающихся странах. (2000г. - данные МЭА, 2050г - прогноз INFORCE). Рис. 2. Потребление энергии по отраслям. Рис. 3. Прогноз использования возобновляемых источников. 2. Постепенное прекращение использования ядерной энергии. Ядерная энергии позиционируется как чистая, но она не является устойчивой формой энергии. Радиационное загрязнение, возникающее при разработке урановых шахт вместе с проблемами безопасности, проблемы транспортировки и утилизации отходов, а также увеличившиеся террористическая опасность – вот неполный список, делающих ядерную энергетику неустойчивой. Более того, процесс производства ядерной энергии все-таки является причиной выбросов парниковых газов. Добыча и обработка урана приводит к выбросам СО2, сравнимыми с выбросами лучших электростанций, сжигающих газ. Ядерный синтез (водорода в гелий) также не является устойчивым. До 2050г. эта технология, скорее всего, не сможет стать массовой, что не позволяет рассматривать ее, как переходную от ископаемых топлив. Кроме того, у нее тоже имеются проблемы с радиоактивностью и отходами. 3. Прогноз для ЕС. Прогноз INFORCE для ЕС включает постепенный уход в производстве и потреблении энергии для 25 стран ЕС от ископаемых и ядерных топлив. Планируется, что этот переход будет окончен к 2050г. Так же как и мировой прогноз, европейский прогноз основывается на стремительном росте энергоэффективности. Наиболее продвинутые технологии повышения энергоэффективности, существующие сегодня, должны стать самым обычным делом в 2050г. Это станет возможно, если все новое оборудование будет разработано с учетом оптимального использования энергии, а рынок получит стимулы для продвижения этих технологий. Если этим заняться сегодня и увеличивать энергоэффективность в среднем на 3.3% ежегодно с 2010г., то к 2050г. потребление можно будет уменьшить в 4 раза. Оставив все, как есть, энергоэффективность будет увеличиваться примерно на 1% ежегодно. Осознание этого потенциально очень важного аспекта потребует решительных действий от всех заинтересованных сторон. 4. Проблема уменьшения потребления тепла. Большинство домов, которые нужно будет обогреть в 2050г., вероятно, уже построены, поэтому не приходится ожидать быстрого увеличения энергоэффективности. В отличие от промышленности, где поколения оборудования могут смениться несколько раз. 15 старым странам ЕС необходимо достичь потребления в среднем 60 КВт в час на м2. А это на 57% меньше, чем было в 2000г. Такое значительно уменьшение потребления станет возможным, если массово модернизировать старые дома, а также начиная с 2015г. большинство домов делать энергопассивными. Предполагается, что увеличение эффективности составит 2% ежегодно, но только лишь 5% за период 2000-2010 гг. Для новых стран ЕС ожидается приблизительно такое же увеличение эффективности, однако потребление тепла там будет выше. 5. Эффективный транспорт. Предполагается, что эффективность преобразования энергии топлива в транспорте увеличится в 2.5 раза с 15-20% в двигателях внутреннего сгорания сегодня до 50% в автомобилях с топливными элементами. Таким образом, эффективность должна возрасти приблизительно в четыре раза от сегодняшнего среднего уровня. Для железнодорожного транспорта и судоходства прогнозные показатели составляют лишь 40% и 25% соответственно. 6. Рост ВВП и снижение энергоемкости. Ожидается, что рост потребления энергии (за счет увеличения площади отапливаемых помещений, перевозок пассажиров и грузов, роста производства и т.д.) стабилизируется в течение прогнозируемого 50-летнего периода. При этом подразумевается, что средний западноевропеец уже достиг достаточного уровня потребления, удовлетворяющий его потребности. Рост благосостояния западных стран должен замедлиться, чтобы оставить экологическое пространство для более бедных частей мира. Если такие изменения в сознании потребителя будут реализованы, то это будет означать снижения потребления энергии одновременно с ростом ВВП. Для западной Европы экономисты обычно принимают средний рост экономики, равный 2.5%. Итак, при реализации прогноза, возникает проблема трехкратного снижения энергоемкости, которая выражается как ВВП, отнесенный к энергетическим затратам. Важно, чтобы рост экономики был направлен на увеличение энергоэффективности, расширения местных производств, увеличения качества, а не количества продукции. 7. Возобновляемая энергетика. Прогноз для ЕС основывается на уже поставленной цели достижения доли возобновляемой энергии 12% к 2010г. В то же время поддерживается цель, предложенная многими неправительственными организациями, по достижению 25% к 2020г. Цифры для 2030 и 2050 гг. составляют 40% и 95% соответственно. Ветроэнергетика. Прогнозируется уверенное развитие отрасли, результатом чего будет 220 000 МВт установленной мощности ВЭУ в Европе к концу 2020г. В начале 2006г. было установлено около 40 000 МВт, а к 2030 ожидается 340 000 МВт. Солнечная энергия. Ожидается, что в 2020г. будет установлено 1.6 м2 на человека и 8 м2 на человека в 2050г. На протяжении первых десятилетий основную роль будут играть солнечные коллекторы для подогрева воды, а ближе к середине столетия они будут заменены солнечными батареями. Твердая биомасса. К 2010г. ожидается увеличения использования твердой биомассы до 3.700 ПДж, что будет составлять 90% от всей используемой возобновляемой энергии в 2010г. По сравнению с 2000г. ожидается двукратный рост. Мы полагаем, что после 2010г. использование биомассы в ЕС достигнет своего предела, равного, примерно, 5 100 ПДж. Биогаз. Весь потенциал, 850 ПДж, будет задействован к 2020г. Энергетические плантации. В прогнозе указывается, что посадки быстрорастущих растений, предназначенных для получения энергии, займут около 7% от используемых сельскохозяйственных земель. Свой небольшой вклад также будут вносить другие возобновляемые источники энергии, такие как малые ГЭС, геотермальные тепло- и электростанции, жидкое биотопливо. Рис. 4. Прогноз общего потребления энергии в 25 странах ЕС. Рис. 5. Прогноз снижения выбросов СО2 в атмосферу. Рис. 6. Потенциал использования возобновляемых источников в сравнении с прогнозируемыми показателями. 8. Как быстро мы можем изменяться? Как показывает пример европейских стран, введение в энергосистему возобновляемых источников энергии может быть достаточно быстрым. В Дани в 1996г. электричество, вырабатываемое ВЭУ, составляло лишь 4%, но уже к 2000г. всего за четыре года эта доля достигла 12%. В Германии, которая в 16 раз больше Дании, вклад ветроэнергетики в общую выработку электричества увеличился с 1% в 1999г. до 4.5% в 2005г. Есть и другие примеры стремительного увеличения использования возобновляемых источников. Электроэнергия, производимая из биомассы, составила 4% в 2003г., по сравнению с 1.5% в 1995г. В Исландии в период с 1990г до 1995г. использование геотермальной энергии возросло с 6% до 17%. Для осуществления нашего прогноза необходимо, чтобы такого же успеха добились и другие страны ЕС в различных отраслях. Увеличение энергоэффективности также может быть достаточно быстрым, хоть оно и не так заметно, как, например, повсеместное появление ветряков. В течение 90х гг. эффективность бытовых приборов в Дании увеличивалась примерно на 3% в год. Это как раз соответствует цифрам, приведенным в нашем прогнозе. Подводя итоги, можно сказать, что существует довольно большая теоретическая вероятность реализации нашего прогноза, подтверждаемая уже достигнутыми прогнозными показателями в отдельных странах. Более подробно вы можете ознакомиться с прогнозом на
Если арабы владеют нефтью. О новой системе оплаты за коммуслуги. Теплоиннерционный дом. Единственный способ спасти эконо. Комбинированная солнечно-теплона. Главная -> Экология 
|