Прогноз развития мировой энергетики до 2100 года

В течение многих лет в мире сложилась стандартная схема вычисления энергопотребления (Е) в будущем через уравнение

Е=Р • (GNР/Р) • (Е/GNР),

где Р - численность населения; GNР - валовой национальный продукт.

На планируемый промежуток времени делаются предположения о скорости изменения валового национального продукта на душу населения (GNР/Р) и его энергоинтенсивности (Е/GNР).

Представления о физическом насыщении потребностей энергией и прогнозы, выполненные на основе этой зависимости дают большие цифры мирового энергопотребления ~ 60 т.у.т/год. к середине 21-го века. Это невозможно реализовать.

Противоположный подход к прогнозированию энергозатрат – генетический. В основе его лежит утверждение, что история определяет настоящее и будущее. Информационной базой генетического подхода служат временные ряды энергопотребления в различных странах мира. Качество получаемых результатов зависит от продолжительности. Потребление первичной энергии Е в каждый момент времени τ представляет сумму для пяти регионов земного шара и выражается уравнением

Е(τ ) = Σ ei(τ ) Pi(τ ),

ⁱ⁼¹

где Р –численность населения,

Е – потребление энергии.

Прогноз потребления энергии для каждого региона зависит от исторически сложившихся условий и определяется экономическими, социальными и экологическими ограничениями.

Потребление коммерческой энергии оценивается с привлечением национальных энергетических прогнозов. Потребление некоммерческой энергии на душу населения величина постоянная для каждого региона.

При разработке прогноза учитывается наличие отрицательных обратных связей в системе энергетика — климат. К таким связям относятся:

1) возрастание биопродукции лесов северного полушария в результате повышения температуры, увлажненности и стимулирующего воздействия повышений концентрации диоксида углерода в атмосфере. В результате происходит расширение границы их распространения на север, в зону современной лесотундры;

2)зависимость уровня потребления энергии от климатических условий и в первую очередь от температуры окружающего воздуха.

Учет этой обратной связи дает возможность непосредственно оценить перспективы экономии энергии в результате развития процесса глобального потепления.

Кроме оценки непосредственного сокращения потребности в энергии при развитии глобального потепления необходимо принимать во внимание эффект локального потепления, характерного для районов крупных городских агломераций и регионов с высокой плотностью населения, где сосредоточены индустриальные объекты.

Наличие на городских территориях асфальтированных улиц, площадей, а также содержание в городской атмосфере газовых и аэрозольных загрязнений вызывает изменение баланса солнечной радиации.

В результате приземный слой воздуха на несколько градусов теплее в пределах города, чем в пригородной зоне.

Таким образом, обратные связи в системе энергетика – климат представляют важнейший фактор, влияющий на развитие мировой энергетики.

Уровень стабилизации душевого потребления энергии и сроки его достижения существенно различаются для каждой страны.

В последующие годы будет постепенно снижаться главенствующая роль в мировом энергобалансе стран, входящих в состав регионов 1 и 2, для которых насыщение энергопотребления - либо реальность ( регион 1 ), дело ближайшего будущего ( регион 2 ).

Одним из важнейших факторов, который учитывается при разработке прогноза является обеспеченность ресурсами мировой энергетики, базирующейся на сжигании ископаемого органического топлива.

В соответствии с данным прогнозом исчерпание разведанных извлекаемых запасов нефти и газа наступит не ранее 2050 года, а с учетом дополнительных извлекаемых ресурсов — после 2100 г. Если принять во внимание, что разведанные извлекаемые запасы угля значительно превосходят запасы нефти и газа, вместе взятые, с определенной вероятностью можно утверждать, что развитие мировой энергетики обеспечено в ресурсном отношении более чем на столетие.

Таким образом, потребление энергии на_душу населения в мире обнаруживает явную тенденцию к стабилизации.

Этот процесс начался около 50 лет назад, т.е. задолго до того как появились спекулятивные теории глобального изменения климата.

Такое явление в мирное время наблюдается впервые с начала индустриальной эпохи и связано с массовым переходом стран мира в новую, постиндустриальную стадию развития, в которой потребление энергии на душу населения остается постоянным. Этот факт имеет важное значение, поскольку величина общего потребления энергии в мире растет гораздо более медленными темпами. Потребление энергии на душу населения в мире практически постигло насыщения, и дальнейший рост его будет происходить экстенсивным путем лишь за счет роста населения. Это приведет к еще более заметному снижению темпов роста эмиссии парниковых газов, образующихся в результате антропогенной деятельности человека.

Исторический подход запрещает повышение уровня потребления энергии до 60 и более Гт у.т./год, как это часто допускается при анализе будущей энергетической ситуации, что находится в полном соответствии с прогнозами, основанными на изучении вековых закономерностей эволюции мировой энергетики.

При этом рассматриваемый прогноз предполагает, что для устойчивою экономического и социального развития человечеству достаточно 24-25 Гт. у.т/год. Это в 1, 7 раза превосходит современное потребление энергии (14, 3 Гт у.т./год в 2000 году).

Экстраполяция тенденций развития энергетики в будущее не позволяет обнаружить признаков катастрофического потепления в течение ближайших столетий.

Противоположный результат может быть получен лишь при необоснованной экстраполяции современных стандартов потребления энергии в наиболее расточительных индустриальных странах.

Тема 4

Лекция 10
Организация замкнутых циклов в производстве

Рост народонаселения и ускоренная индустриализация ведет к тому, что отходы и ЗВ образуются быстрее, чем Земля их может переработать, включив в малый биотический цикл, а затем в глобальный цикл. Следовательно, природные ресурсы потребляются более быстрыми темпами, чем воспроизводятся. Достичь устойчивого развития возможно лишь путем переориентации промышленных процессов производства товаров и услуг на новые модели, которые будут способствовать снижению нагрузки на окружающую среду и повышению эффективности промышленного производства.

Это предопределяет создание замкнутых циклов производства, безопасных для окружающей среды, предотвращающих загрязнение природы и обеспечивающих более эффективное использование сырья.

Технологии замкнутых циклов – это предупредительные стратегии, призванные не допускать появление новых ЗВ уже на самом этапе производства и экономно использовать сырьевые материалы, включая энергию и воду.

Образование замкнутых циклов предполагает принятие предупредительных мер в самой системе производства, тогда как традиционная борьба с загрязнением подразумевает нейтрализацию или удаление ЗВ, когда они уже произведены и попали в окружающую среду. Замкнутые циклы в производстве отражаются в материальных и энергетических балансах.

Материальные и энергетические балансы предприятий

Материальный баланс

Материальные расчеты всех этапов производства сводятся в таблицу материального баланса. Это наиболее часто встречающаяся форма технологических расчетов.

Основой балансовых расчетов являются законы сохранения массы и энергии. Применительно к любому блоку технической системы, не вскрывая её сущности можно рассчитать расход материалов по одной из приводимых формул:

1. Масса поступившего вещества - Масса имевшегося вещества = Масса выведенного вещества + Масса оставшегося вещества

2. Масса поступившего вещества - Масса выведенного вещества = Масса накапливаемого вещества

3. Масса поступившего вещества - Масса накапливаемого вещества = Масса выведенного вещества

Или на основе анализа потоков:

4. Массовый расход на входе - Массовый расход на выходе = Скорость накопления массы

Если протекает химическая реакция в течение времени:

5. Поступление вещества - Удаление вещества + Образование вещества - Разрушение вещества = Прирост количества вещества

Баланс системы представляется в формализованном системном виде. Каждая из статей приходной и расходной части баланса вычисляется на основе строгих физико-химических закономерностей или математических моделей.

Материальный баланс составляют на единицу или массу выпущенной продукции (шт, т), на единицу массы или объема (кг, м3), в единицу времени (ч, сут, год). При составлении материального баланса для любого технического объекта учитывают состав перерабатываемого сырья, готового продукта, избыток одного (или нескольких) компонентов, определяемый условиями реакции в реальных условиях, степень превращения сырья и возможные потери. По данным материального баланса можно найти:

-расход сырьевых вспомогательных материалов при заданной мощности технологического аппарата, линии, цеха, предприятия;

-выход продукта и объем реакционной зоны аппарата; число аппаратов и производственные потери;

-количество отходов, направляемых в окружающую среду.

Материальный баланс – основа для расчета теплового баланса, который позволяет определить потребность в топливе, величину теплообменных поверхностей, расход теплоносителя.

Результаты балансовых расчетов могут быть представлены в простой последовательности расчетных этапов, в табличной или диаграммной форме.

Энергетический баланс

Энергетический баланс любого технического объекта (аппарата, установки, технологической линии, производства) или экологической системы может быть описан уравнениями, связывающими приход и расход энергии.

Энергетический баланс составляется на основе закона сохранения энергии, в соответствии с которым в замкнутой системе сумма всех видов энергии постоянна:

Епр - Ерасх = 0.

Для технических, геотехнических и экологических систем составляется тепловой баланс, который для непрерывных процессов рассчитывается на единицу времени, а для периодических — на время цикла, процесса.

Основой для расчета служит материальный баланс с учетом тепловых эффектов экзотермических и эндотермических химических реакций, а также физических процессов испарения, конденсации, сублимации, растворения и др.

Подобно материальному балансу тепловой баланс может быть представлен в виде таблиц, диаграмм в соответствии с уравнением:

Qт/ + Qж/ + Qг/ + Qр/ + Qф/ + Qп/ =

= Qт// + Qж// + Qг// + Qр// + Qф// + Qп//,

• где Qт/, Qж/, Qг/ — количество теплоты, вносимое в систему твердыми, жидкими, газообразными веществами,

• Qт//, Qж//, Qг// — количество теплоты, выносимое твердыми, жидкими, газообразными веществами,

• Qф/ — теплота физических процессов, протекающих с выделением тепла,

• Qф// — теплота физических процессов, протекающих с поглощением тепла,

• Qр/ — количество теплоты, выделяющееся в экзотермических процессах,

• Qр// — количество теплоты, поглощаемое в эндотермических процессах,

• Qп/ — количество теплоты, подводимое к системе,

• Qп // — количество теплоты, отводимое от системы.

Величины Qт, Qж, Qг рассчитываются для каждого вещества с учетом его количества, удельной теплоемкости с (Дж/кмоль-К) и температуры:

Теплоемкость смеси веществ рассчитывается по правилу аддитивности:

Ссм = (G₁c₁+ G₂c₂+ ….+ G_nc_n )/ G₁+G₂+….+ G_n

Суммарная теплота физических процессов может быть определена по уравнению:

Q_ф =G₁ r₁ + G₂ r₂ +….+ G_i r_i,

где r₁, r₂, …… r_i —теплота фазовых переходов.

Тепловой эффект химической реакции можно определить как сумму изобарных теплот образования продуктов реакции:

Δ H=Σ (Δ Hобр)исх - Σ (Δ Hобр)прод.

• Подвод теплоты к системе Qр/ можно учесть по потере количества тепла теплоносителем:

• водой Q_п/ = G_в с_в (t₁ – t₂);

• паром Q_п/ = G_r;

• теплопередачей через стенку

• Q_п/ = k_τ F (t₁ – t₂)τ,

• где k_τ- коэффициент теплопередачи,

• F- поверхность теплообмена,

• t₁ и t₂ –температура теплоносителя,

• τ – время.

Пример энергетического баланса для котла

Котел использует в качестве топлива природный газ, с которым подводится химическая энергия в количестве 659, 86 ГДж/ч.

С паром отводится 82, 2 % тепловой энергии. Остальная часть отводится с отходящими газами и тепловыми потерями в окружающую среду в соотношении 21: 1.

Результаты расчета теплового баланса представлены в табличной форме.

В левой части таблицы – приход.

В правой части таблицы –расход.

Размерность прихода и расхода должна быть выражена в ГДж/ч и в %.

Таблица 1- Энергетический баланс котла

Приход	Расход
Статья баланса	ГДж/ч	%	Статья баланса	ГДж/ч	%
Химическая энергия топлива	659, 86		Тепло пара	542, 40	82, 20
Потери с уходящими газами	112, 11	16, 98
Прочие потери	5, 35	0, 82
Итого:	659, 86		Итого:	659, 86

Комплексное использование сырья и энергии.
Создание малоотходных и безотходных производств, предприятий, промышленных объединений, ТПК

⇐ Предыдущая 2 3 4 5 6 789 10 11 Следующая ⇒