Сохранение энергии

Уходя, гасите свет

Сбережение окружающей среды сегодня волнует многих. И пока политики договариваются о квотах на выброс углекислого газа в национальных масштабах, а простые граждане стараются экономить электроэнергию у себя дома, крупные корпорации думают об обществе будущего, основанном на идеях рационального природопользования. Инвестиции в проекты по внедрению передовых технологий в быту, промышленности и социальной сфере уже сегодня позволяют строить «Общество 5.0» — так называют эту концепцию в японской корпорации Mitsubishi Electric, в партнерстве с которой N + 1 предлагает читателям материал о важности экономии электроэнергии для сбережении природных ресурсов.

Текст: Сергей Иванов, Ольга Добровидова
Текст: Сергей Иванов, Ольга Добровидова
Текст: Сергей Иванов, Ольга Добровидова

Сколько энергии сегодня производит человечество? По данным Международного энергетического агентства (IEA), в 2016 году этот показатель составил 13,76 миллиарда тонн нефтяного эквивалента (тнэ) — эта условная единица обозначает количества тепла, выделившегося при сжигании одной тонны нефти. Это более 576 квинтиллионов джоулей (5,76 ? 1020 джоулей), или примерно на 10 процентов меньше энергии, чем Солнце дает Земле за час.

Бóльшая часть этой энергии приходится на ископаемую триаду: нефть (4,39 миллиарда тнэ), уголь (3,73 миллиарда тнэ) и газ (3,04 миллиарда тнэ). Вместе эти три вида топлива ежегодно отправляют в атмосферу примерно 32,1 миллиарда тонн углекислого газа — если весь этот объем газа представить как куб, то его сторона немного превысит 25 километров.

Более 41 процента всех выбросов парниковых газов человечества, которые приводят к глобальному изменению климата, в том же 2016 году пришлись на энергетику. Две другие отрасли, существенно загрязняющие атмосферу выбросами СО2, транспорт и промышленность, в совокупности дают немногим больше — 43 с небольшим процента (около 24 и 19 процентов соответственно). Получается, что основной фактор антропогенного потепления — именно выработка энергии, и прежде всего электричества, которое расходуется на ту же промышленность и работу транспорта, а также на освещение и обогрев зданий и прочие цели.


Энергетические следы

Каждый потребитель энергии оставляет за собой «углеродный след» — определенное количество парниковых газов, которые были выброшены в атмосферу в результате выработки этой энергии. Мы подробно рассказывали о том, что это такое и как считается, в материале о нашем углеродном калькуляторе «Наследили».

Углеродный след — очень сложная для точного вычисления величина, так как в него входит не только топливо, сгоревшее при непосредственной выработке электроэнергии, но и, например, расходы на транспортировку этого топлива, расходы на производство оборудования и его амортизацию. Поэтому даже гидроэлектростанции, которые ничего не сжигают в принципе, тоже оставляют свой углеродный след.

В зависимости от того, какой источник энергии вы используете — природный газ, уголь, нефть, ядерное топливо, энергию мировых рек, солнца, ветра или биомассу (все пригодное для сжигания, в первую очередь дрова), углеродный след в пересчете на киловатт-час произведенной электроэнергии будет разным. Межправительственная группа экспертов по изменению климата (IPCC) дает следующий диапазон углеродного следа для разных источников энергии:

Электроэнергия как в России, так и в мире главным образом вырабатывается на тепловых электростанциях (ТЭС), сжигающих ископаемое топливо — уголь или газ. Побочным продуктом такого способа генерации энергии является горячая вода в водопроводах и отопительных приборах — остаточное тепло от сгорания топлива, которое уже нельзя использовать для генерации электричества, используют для нагрева воды.

Такие системы называются ТЭЦ — теплоэлектроцентралями, и наибольшее распространение они получили именно в России, в том числе из-за компактного проживания значительной части населения в многоквартирных домах. Только такой вариант делает снабжение района горячей водой с электростанции целесообразным.

Тепловые электростанции оставляют самый «толстый» углеродный след — помимо собственно сжигания топлива, в этот след входят и затраты на его транспортировку, и добычу, и так далее. С другой стороны, ТЭС и ТЭЦ очень удобны для маневра мощностью во время подъема и спада потребления электроэнергии в течение суток. К тому же они не привязаны к особым условиям местности, и их можно построить где угодно.

Самый дешевый способ выработки энергии — гидроэлектростанции. Но ГЭС имеют серьезные недостатки: во-первых, их нельзя размещать где хочется, во-вторых, не получается «выжать» из рек требуемое цивилизации количество энергии, а в-третьих, строительство ГЭС само по себе серьезно изменяет и ландшафт, и экологическую обстановку в регионе. Несомненным преимуществом ГЭС является ловкий маневр мощностью, с ее помощью получается довольно быстро реагировать на суточные циклы с увеличением и снижением энергопотребления.

Сегодня в Японии эксплуатируется около 100 миллионов электромоторов. Если их все заменить на высокоэффективные двигатели, соответствующие стандарту программы «Top runner» (или IE3 стандарта МЭК 60034-30), то это позволит ежегодно экономить до 15,5 миллиарда киловатт-часов. Сравните эту экономию с расчетами ниже!

Углеродный след от ГЭС трудно поддается оценке: пусть она и не сжигает топливо, но затопление большой территории приводит к тому, что эта местность больше не может участвовать в поглощении CO2. Кроме того, на ГЭС работает оборудование, которое нуждается в ремонте и амортизации. В итоге, в зависимости от размера и площади водохранилища, а также от климата, могут быть получены значительные выбросы СО2, пусть сама ГЭС ничего и не выбрасывает.

Aтомные электростанции дают более дорогую энергию, зато они компактные и очень мощные, к тому же их можно строить где угодно. С другой стороны, атомная энергия совершенно не подходит для маневра мощностями: запуск и остановка атомных реакторов идет медленно и оказывается очень серьезной операцией. Поэтому выработка электроэнергии на АЭС, как правило, не имеет никаких суточных скачков.

Солнечные и ветровые электростанции, хотя и считаются «зелеными», на деле тоже оставляют свой углеродный след. Производство ветряков и панелей требует значительных ресурсов, более того, эти устройства не вечны и их приходится поддерживать в рабочем состоянии. Их углеродный след очень мал по сравнению с ТЭС и почти равен «атомному», но серьезные недостатки таких способов выработки энергии — их непостоянство и неприспособленность к работе в неподходящих географических условиях.

Так, солнечная энергетика во многих странах практически бессмысленна: в той же Москве в январе солнечные электростанции прекратят работать в пять часов вечера, в то время как потребление энергии в это время будет находиться на очень высоком уровне. Более того, зимой из-за морозов потребление будет еще выше, чем летом, в то время как производство солнечной энергии уменьшится.

С ветряками дело обстоит не сильно лучше: для приемлемой выработки нужна местность с высоким ветропотенциалом, а такие территории далеко не всегда находятся рядом с крупными городами. В результате потери на транспортировку энергии и расходы на строительство и обслуживание верениц ветряков в глуши могут сделать проекты нерентабельными.


Экономика должна быть экономной

Главная проблема, встающая сегодня перед мировой энергетикой, — «озеленение», то есть постепенный отказ от ископаемого топлива и переход на возобновляемые источники энергии. К сожалению, пока процесс идет очень медленно: за последние 20 лет, по данным доклада BP, доля возобновляемых источников энергии в мире выросла примерно с нуля лишь до 3,6 процента. IEA считает, что в ближайшие десятилетия ископаемое топливо никуда не денется, разве что газ, который сегодня отстает от угля в энергобалансе, опередит его.

Раз быстро избавиться от «грязной» энергетики нам не удастся, энергию необходимо экономить. Это относится не только к крупным промышленным предприятиям.

В масштабах отдельных домохозяйств любая экономия электричества кажется незначительной по сравнению, например, с затратами на водо- и теплоснабжение – стоимость электроэнергии обычно невелика, и люди предпочитают «не париться» по поводу бестолково горящей в коридоре лампочки, ведь ее выключение сэкономит всего-то несколько десятков рублей в месяц. Однако в пересчете на энергоснабжение многоквартирного дома или целого района сумма становится заметной.

Компания Mitsubishi Electric при организации производств решила сделать ставку на более рациональное использование энергии. Например, на заводе в Фукуяме энергопотери при обогреве производственных помещений были снижены на 84 процента через крышу и на 42 процента через стены — в результате для поддержания той же температуры внутри требуется гораздо меньше тепла, выделяемого обогревателями.

Замена осветительных приборов на энергоэффективные LED с датчиками движения на заводе в Нагое дало около 27 тысяч киловатт-часов экономии в год. А использование эффективных систем вентиляции и кондиционирования воздуха позволило сэкономить около миллиона киловатт-часов в год. Компания провела масштабную замену и модернизацию оборудования на более энергоэффективное, а выброс вредных веществ в атмосферу и гидросферу снизился практически до нулевого уровня.

С другой стороны, в крупных городах ради ночной подсветки городских зданий нередко тратится огромное количество энергии. Да, ее можно было бы сэкономить, но человечество делает выбор в пользу эстетики, а не экономической целесообразности, и этот выбор вполне понятен.

В среднем современном домохозяйстве (семья из трех человек) самым прожорливым потребителем энергии является холодильник. Мощность электроприемника обычного холодильника составляет около киловатта, с учетом перерывов в работе он работает около 2 часов в сутки — что дает целых 60 киловатт-часов потребления в месяц.

На втором месте находятся лампочки накаливания — они тоже потребляют около 50–60 киловатт-часов в месяц, но если использовать не лампы накаливания, а светодиоды или газоразрядные лампы, то этот показатель уменьшится в несколько раз.

Среднее энергопотребление нашего домохозяйства составляет около 190 киловатт-часов в месяц, и почти две трети энергии при этом уходит на работу холодильника и освещение квартиры или дома.

И хотя непосредственно в виде электроэнергии обычный человек потребляет немного, его углеродный след весьма «толст», так как в нем должны учитываться не только киловатт-часы на счетчике, но и углеродный след всех потребляемых им товаров и услуг. С учетом этого получается, что на чистую электроэнергию приходится около четверти углеродного следа, оставляемого среднестатистическим человеком.


Промышленные масштабы

Для промышленности вопрос экономии стоит более остро — именно она ответственна за самый крупный углеродный след и влияние на климат планеты (после пересчета энергетических затрат — 36,5 процента в 2016 году), и она же больше всего выиграет от мер по снижению потребления энергии. Более того, сокращение углеродного следа промышленностью в конечном итоге снижает этот след для каждого отдельного человека как потребителя продукции.

Какие-то существенные траты энергии неизбежны: например, крайне энергоемкое производство алюминия требует около 18 тысяч киловатт-часов на тонну металла, и пока что нет способа эффективно производить алюминий с меньшими энергозатратами. Крайне энергоемкими являются практически все процессы, связанные с обработкой металлов давлением, так как для этого его надо сильно нагреть. При этом и потребление, и производство разных металлов и сплавов человечеством непрерывно растет с каждым годом.

В то же время от части затрат энергии можно отказаться. Например, за счет эффективной теплоизоляции можно сократить потребление энергиИ в печах, за счет сокращения числа требуемых операций над деталью снижаются расходы на транспортировку и так далее. В конце концов, в производственных помещениях тоже действуют отопление и освещение, также потребляющие энергию.

Сегодня для снижения энергопотребления вводятся «умные» производства, на которых с помощью грамотного планирования и организации труда исключаются лишние траты энергии на логистику и снабжение. Подобные решения зачастую требуют серьезной переделки и перепланировки производства, но эти издержки оправданны за счет экономии ресурсов и средств.

Оптимизации работы промышленных предприятий посвящена концепция E-factory от Mitsubishi Electric. Это часть концепции «Общества 5.0» — интеллектуальная технология, реализуемая под каждого индивидуального производителя, в зависимости от конкретных потребностей. Она позволяет модернизировать производство, повысить производительность труда и, что самое главное, значительно сэкономить потребление энергии. Концепция E-factory была представлена представителям российских компаний на международной выставке «Иннопром-2017».

Повышение энергоэффективности может показаться мелочью для отдельного предприятия, но в масштабах страны оно имеет колоссальное значение: директор Центра по эффективному использованию энергии (ЦЭНЭФ) Игорь Башмаков однажды подсчитал, что если реализовать весь потенциал повышения энергоэффективности в России, то это приведет к снижению энергетических выбросов парниковых газов страны более чем на 50 процентов.

В масштабах планеты ситуация примерно такая же: по подсчетам японских экспертов, до 2030 года именно на энергоэффективность приходится до 60 процентов потенциала снижения выбросов CO2. IEA называет инвестиции в энергоэффективность самым экономически выгодным способом снизить выбросы парниковых газов.

Читайте также