CC BY
28
Оригинальная статья / Original article УДК 621,31:669
DOI: http://dx.d0i.0rg/l 0.21285/1814-3520-2019-1 -124-136
Использование термодинамических пределов в энергетических исследованиях
© В.С. Степанов, Т.Б. Степанова, Н.В. Старикова
Иркутский национальный исследовательский технический университет, г. Иркутск, Российская Федерация
Резюме: В статье рассмотрены возможности использования термодинамических показателей идеальных (подобных идеальной машине Карно) и идеализированных аналогов для исследования реальных процессов в различных отраслях экономики. К таким показателям относятся идеальные и идеализированные коэффициенты полезного действия, теоретические и минимально необходимые затраты энергии (эксергии) на реализацию процесса. Приведена методика их определения, а также показано, как они могут быть использованы для оценки термодинамической эффективности процесса, теоретического потенциала и резервов энергосбережения при его совершенствовании, для прогнозирования энергетических затрат на долгосрочную перспективу (более 20 лет). Разработанные методы проиллюстрированы примерами исследования производств металлов и некоторых неорганических и органических веществ. Выполнен анализ тенденций в изменении удельных затрат энергии на производство алюминия методом Холла-Эру за весь период его освоения и использования. Приведенные графики подтверждают, что энергетические затраты процесса в настоящее время асимптотически приближаются к затратам его идеального аналога (реальный коэффициент полезного действия - к коэффициенту полезного действия идеального процесса). Это означает, что процессу следует искать замену, т.е. переходить к новой технологии получения алюминия. Процедура расчета минимально необходимых и предельных (максимальная степень идеализации процесса) затрат энергии (эксергии) на продукт показана на примере производства металлов по разным технологиям ряда химических веществ. Последующая экстраполяция коэффициента полезного действия этих процессов дает возможность прогнозировать объем и структуру их энергопотребления на долгосрочную перспективу без наличия достоверных статистических данных. Такие прогнозы дают достаточно точные результаты, поскольку базируются на фундаментальных законах термодинамики. Привлечение второго начала термодинамики с использованием понятия «эксер-гия» в эти исследования еще более повышает уровень достоверности и значимости полученных результатов. Ключевые слова: термодинамические методы, эксергетический анализ, идеальные и идеализированные коэффициенты полезного действия, металлургические процессы, переход к новым технологиям, долгосрочное прогнозирование энергопотребления
Информация о статье: Дата поступления 25 декабря 2018 г.; дата принятия к печати 29 января 2019 г.; дата онлайн-размещения 28 февраля 2019 г.
Для цитирования: Степанов В.С., Степанова Т.Б., Старикова Н.В. Использование термодинамических пределов в энергетических исследованиях. Вестник Иркутского государственного технического университета. 2019;23(1): 124-136. DOI: 10.21285/1814-3520-2019-1-124-136.
Use of thermodynamic limits in energy researches
Vladimir S. Stepanov, Tatiana B. Stepanova, Natalia V. Starikova
Irkutsk National Research Technical University, Irkutsk, Russian Federation
Abstract: The article considers the possibility of using thermodynamic indicators of ideal (similar to the Carno heat machine) and idealized analogs to study real processes in various sectors of economy. These indicators include ideal and idealized efficiency coefficients, theoretical and minimum required energy/exergy costs of process implementation. The methods of their determination are presented and it is shown how these indicators can be used to estimate the thermody-namic efficiency of the process, theoretical potential and resources of energy saving when improving it and making long-term predictions (more than 20 years) of energy costs. The developed methods are illustrated by the examples of researches of metals and some inorganic and organic substances production. The analysis is given to the tendencies in the change of specific energy consumption for aluminium production by the Hall-Heroult method during the whole period of its use. The given graphs prove that process current energy costs are asymptotically close to the costs of its ideal analog (real efficiency is close to the efficiency of the ideal process). This means that the process should be replaced, i.e. it is necessary to switch to a new aluminum production technology. The calculation procedure of the minimum required and maximum (maximum degree of process idealization) energy (exergy) costs per product is shown by the example of metal and chemicals production by different technologies. The subsequent extrapolation of the efficiency of these processes allows to make a long-term prediction of the volume and structure of their energy consumption in the absence of reliable statistics.
Such forecasts provide quite accurate results, since they are based on the fundamental laws of thermodynamics. The involvement of the second principle of thermodynamics using the concept of "exergy" in these studies further increases the level of reliability and significance of the results obtained.
Keywords: thermodynamic methods, exergy analysis, ideal and idealized efficiency coefficients, metallurgical processes, transition to new technologies, long-term forecasting of energy consumption
Information about the article: Received December 25, 2018; accepted for publication January 29, 2019; available online February 28, 2019.
For citation: Stepanov V.S., Stepanova T.B., Starikova N.V. Use of thermodynamic limits in energy researches. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2019;23(1):124—136. (In Russ.) DOI: http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2019-1-124-136.
Введение
Все процессы, протекающие в природе и различного рода технических системах, являются следствием преобразования одних видов энергии в другие. Любые материальные изменения вторичны, поскольку они вызваны изменениями энергетического состояния системы. Таким образом, если в основе любых процессов лежат энергетические изменения, то именно их энергетику
необходимо тщательно изучать и анализировать. Разработка методов для проведения таких исследований является задачей термодинамики, которая позволяет ответить на вопросы: с какими энергетическими затратами идет процесс, насколько они эффективны, возможно ли его совершенствование с энергетической точки зрения.
Анализ тенденций в изменении удельных затрат энергии на производство алюминия методом Холла-Эру
Понятия и законы термодинамики позволяют получать ответы на данные вопросы. Например, согласно второму закону термодинамики, чтобы преобразовать теплоту 0 с температурой т в работу, необходимо в составе тепловой машины помимо этого источника иметь теплоприемник, куда бы сбрасывалась теплота с температурой т < Т, неспособная совершать работу. Иначе говоря, в работу может быть преобразована лишь часть подведенной к тепловой машине теплоты О, равная А = О - О. С. Карно предложил определять эффективность этой машины коэффициентом полезного действия (КПД) как 4=А / 0. Термодинамика позволяет установить условия, при которых тепловая машина будет работать с максимальным КПД, если процессы, протекающие во всех элементах машины, являются обратимыми, т.е.
^max
Amx_ Qi - Q2 _ T - T2
Qi
Qi
T
Таким образом, впервые было показано, что у каждого типа процесса есть термодинамический предел его эффективности, который может быть оценен относительным КПД т]отн, показывающим степень
приближения КПД реального процесса ?]реал
к КПД идеального аналога:
^отн ^реал ^ ^мах '
Термодинамические пределы уже играют огромную роль в исследованиях энергетических процессов, но возможности их использования далеко не исчерпаны. Нужно приложить усилия как для расширения типов анализируемых с их помощью технических систем, устройств, так и для приложения этого метода с целью расширения круга задач и их решения. Рассмотрим подробнее, как это сделать, какие задачи можно решать и какие трудности предстоит преодолеть.
Все энергопотребляющие процессы, как правило, подвергаются исследованию с
точки зрения эффективности использования в них подведенной энергии. КПД является исчерпывающим показателем эффективности процесса и его расчет производится на основе энергетического баланса процесса (установки) как отношение
Нреал 1пол ^ ^затр ,
где /иол- полезная (целевая) энергия процесса; I - энергия, затраченная на его
реализацию.
Но на пути реализации этих общеизвестных и общепринятых положений существует целый ряд препятствий.
Первое препятствие. Рассчитать энергетический КПД можно лишь для тех процессов и установок, в которых производится какой-либо вид энергии или их полезный эффект может быть выражен в энергетических единицах. Это означает, что для огромного числа энергопотребляющих процессов, производящих металлы, изделия из них, промышленные материалы, химические вещества, продукты, услуги, создающие комфорт и т. д., понятия «полезная энергия» в традиционном смысле не существует. Отсюда следует, что для них не может быть рассчитан КПД в общепринятом смысле.
Для преодоления этого препятствия можно для каждого такого процесса разработать его идеальный аналог, подобный циклу Карно для тепловой машины, и на основе его энергетического баланса определить минимально необходимые затраты энергии на реализацию. Тогда может быть определен КПД как степень приближения реального процесса к его идеальному аналогу [1-3].
Второе препятствие. Различные формы энергии имеют разное качество, которое определяется способностью данного вида энергии преобразовываться в работу и другие формы энергии, что является следствием второго закона термодинамики. Признание качественного различия видов энергии означает, что прямое их суммирование при составлении энергетического баланса
недопустимо, некорректно, хотя и широко распространено в практике.
Для ликвидации второго препятствия, не позволяющего суммировать энергию разного качества, была разработана новая область энергетических исследований -эксергетический анализ. Для того чтобы сделать сопоставимыми разные формы энергии, была введена единая мера, позволяющая количественно оценить энергию с учетом ее качественных характеристик. Такой мерой служит эксергия, представляющая собой количество работы, которое может быть получено внешним приемником энергии при обратимом взаимодействии термодинамической системы (потока энергии) с окружающей средой до установления полного равновесия при ее параметрах [1-9].
Все формы энергии по способности преобразовываться из одной формы в другую, в том числе работу, можно разбить на три класса.
Первый из них включает неограниченно превратимые формы энергии, преобразование которых в любую другую форму допустимо по второму закону (все виды механической и электрической энергии). Второй класс объединяет формы энергии, преобразуемые в другие в ограниченной мере (тепловая, химическая энергия). К третьему классу относятся формы энергии, преобразование которых в работу, согласно 2-му закону термодинамики, невозможно. Сюда можно отнести тепловую энергию при температуре источника теплоты, равной температуре окружающей среды (ОС); механическую энергию при давлении рабочего тела машины, равном давлению окружающей среды.
Формы энергии, относимые к первому классу, очевидно, являются более ценными по сравнению с теми, которые отнесены к другим классам. Между собой формы энергии этого класса равнозначны не только количественно, но и качественно. Они не характеризуются энтропией и в полной мере обладают свойствами аддитивности. Пре-вратимость таких форм энергии в работу
или другие формы не зависит от параметров окружающей среды.
Формы энергии второго класса качественно различны и не в полной мере обладают свойством аддитивности, поскольку степень их «неорганизованности», характеризуемая энтропией, различна. Преврати-мость энергии такой формы определяется не только собственными параметрами, но и параметрами окружающей среды. В пределе ценность энергии этого класса равна нулю, если ее параметры становятся равными параметрам окружающей среды.
Таким образом, с открытием второго закона термодинамики при исследовании технических систем, в которых используются формы энергии разных классов, необходимо учитывать различие в их качестве. Иначе говоря, понятия энергия в этих случаях недостаточно. Появилась необходимость учитывать тот факт, что не всякая энергия и не при всех условиях может быть полностью пригодна для технического использования.
В качестве меры превратимости, пригодности энергии любого вида в середине прошлого столетия было предложено использовать максимальную работу, которую может совершить техническая система при обратимом ее переходе из любого произвольного состояния в состояние термодинамического равновесия с окружающей средой. Такая мера была названа З. Рантом эк-сергией - Е, а неспособная к совершению работы энергия - анергией В [7]. Все формы энергии предложено им представлять как сумму эксергии и анергии, причем каждая из них может быть равна нулю. В этом случае формы энергии, относимые по превратимо-сти к разным группам, можно представить в виде:
для первой группы - I=Е;
второй - 1=Е+В;
третьей - 1=В.
Во всех процессах эта сумма, в соответствии с первым началом термодинамики, остается постоянной, изменяется лишь соотношение ее составляющих. В реальных процессах подведенная эксергия расходуется (уменьшается), а анергия возрастает.
Таким образом, под эксергией понимается работоспособность энергии, то есть величина работы, которая может быть получена в преобразователе данного количества энергии в результате его обратимого взаимодействия с окружающей средой.
Величину эксергии любого из используемых видов энергии можно определять по
одной общей формуле [8]:
Е = ®е ■1,
где I - энергия рассматриваемого вида;
- коэффициент работоспособности энергии, который является безразмерной величиной, равной количеству работы, которую в идеальном случае можно получить с помощью единицы энергии рассматриваемого класса.
Для видов энергии первой группы (электрической, механической) сое = 1, для
энергии второй группы, например, тепловой, как было показано выше, коэффициент может принимать значение от 0 до 1 в зависимости от температуры теплоты, подводимой к тепловой машине и отводимой от нее,
Затраты эксергии легче прогнозировать и анализировать, суммировать ее расходы по отдельным процессам технологической схемы, не прибегая к помощи соответствующих переводных коэффициентов. При расчете затрат тепловой эксергии не требуется указаний о температурном потенциале тепла.
Чтобы преодолеть оба препятствия при расчете КПД любого процесса или технологии, было предложено заменить в числителе полезную энергию/работу величиной теоретических затрат энергии/работы на осуществление процесса - , е^. Они определяются из полного энергетического баланса идеального аналога с предельной степенью идеализации с гЦд=1;
т]иэдс =1 и являются абсолютным минимумом затрат энергии и работы для производства
рассматриваемого продукта или услуги с помощью любой технологии. То есть тоже являются термодинамическими пределами. В такой постановке энергетическая эффективность любого технологического процесса определяется двумя КПД - энергетическим и эксергетическим:
реал _ j* I треал • реал _ р* , грреал /-|\ Чэн ~ 1 min ' 1 эн ; '/экс ~ Emin ' Еэн '
В связи с тем, что при такой высокой степени идеализации для многих процессов энергозатраты равны нулю, идеальный аналог может быть использован для анализа не всех реальных процессов. Поэтому более конструктивным является предложение сравнивать показатели такого реального процесса с его идеализированным аналогом, используя меньшую степень идеализации. При разработке такого аналога можно отразить физико-химические основы технологии, вид сырья, из которого производится продукт, и другие принципиальные особенности.
На основе энергетического баланса идеализированного аналога определяются минимально необходимые затраты энергии/работы для каждого исследуемого процесса - Imin, Emm. Для идеализированного аналога могут быть рассчитаны энергетический чиэдл и эксергетический чТ^с КПД по выражениям, подобным тем, по которым определяются эти характеристики для реальных процессов.
Сопоставление реальных процессов с идеализированными аналогами означает по существу оценку степени совершенства исследуемого процесса на основе относительных КПД:
отн реал / иол
Лн = Лрн 'Лн
„отн = „Реал / „uàл /экс /экс /экс
(2)
(3)
Чем выше значение нотн, тем совершеннее в энергетическом смысле реальный процесс и тем труднее найти пути дальнейшего его улучшения.
Полученные таким образом показатели также относятся к разряду термодинамических пределов. Их значение трудно переоценить для проведения различных энергетических расчетов: они дают представление об абсолютной и относительной эффективности процесса, теоретически обоснованы и безупречны, позволяют выявить достигнутый уровень совершенства и предельные его значения [1, 2, 5, 8, 9].
Поскольку полезный эффект реального процесса и его идеализированного аналога должен быть одним и тем же, то
Егреалтидл и Уе реал=Уеидл тогда с
пол ^^ пол ^^ пол ^^ пол ' "
учетом (2) и (3) можно записать
„orna _ jидл / j 1эн ^^ затр ^^
реал затр
Ло
/э)
= У Eи0л / У E
^^ затр ^^
•реал затр
(4)
(5)
Из последних выражений следует, что в пределе, когда Нд = 1 и Нд = 1 (идеальный аналог), значения действительных (реальных) и относительных КПД совпадают:
лРеал = лОтн
1эн 1эн
и Лреал = Л
! экс !э
отн экс
(6)
При реализации этой на первый взгляд простой методики возникает проблема, как определить теоретически необходимые энергозатраты для огромного количества разнотипных по характеру и назначению технологических процессов, т. е. как подобрать идеализированный аналог для каждого исследуемого процесса и учесть его специфические особенности. Нами предложена следующая группировка процессов по их целевому назначению [1, 2, 5]:
1. Процессы производства энергии разного вида.
2. Физико-химические процессы производства материалов, химических соединений и прочих веществ.
3. Процессы производства различных изделий, совершение работы.
4. Процессы, цель которых обеспечить нормальные условия для жизни и ра-
боты людей (отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха, освещение зданий различного назначения, охлаждение и замораживание продуктов).
5. Перемещение людей и грузов в пространстве включает все многообразие видов транспортировки всеми транспортными средствами: железнодорожным, водным, воздушным, автомобильным и т. д.
Результаты: использование единого подхода и единых критериев для оценки эффективности использования энергии во всех сферах энергетики (производство, передача и потребление энергии) и в энергопотребляющих процессах самых различных типов чрезвычайно важно и имеет единую фундаментальную основу. Полученные показатели могут быть использованы для анализа процессов с различными целями: для определения безвозвратных потерь, теоретического потенциала и реальных резервов энергосбережения, а также для оценки суммарного негативного воздействия технологий на окружающую среду. Покажем использование разработанных методов на нескольких примерах.
Пример 1. Оценка термодинамической эффективности технологии на уровне ее идеализированного аналога.
Выполним анализ процесса получения алюминия методом Холла-Эру, который является стандартным во всех странах мира. С момента разработки он подвергался постоянному конструктивному и технологическому совершенствованию. Получение алюминия осуществляется на основе электролитического разложения глинозема в расплаве криолита. Схематически процесс электролиза сводится к выделению на катоде металлического алюминия и сгоранию угольного анода за счет выделения на нем кислородсодержащих комплексов. Идеализированный аналог процесса электролиза описывается той же реакцией, что и реальный процесс [5, 10]:
Б*эл + А120З + 2С = 2 А1 + СО + С02.
На рис. 1 показаны изменения удельных расходов всех видов энергоносителей
на процесс (а) и энергетического КПД (Ь) за период промышленного освоения процесса. Согласно полному энергетическому балансу, на производство алюминия затрачивается электроэнергия Е, химическая энергия топлива 1х в виде углерода (анодная масса или обожженные аноды), химическая энергия сырья 1с (глинозема).
За период промышленного использования этой технологии удельный расход электроэнергии на электролиз криолит-глиноземного расплава снизился более чем в 3 раза. Фактические суммарные затраты энергии постепенно приближаются к величине минимально необходимых затрат. На рисунке явно видно, что возможности снижения энергозатрат для этой технологии практически исчерпаны. Реальные энергетические затраты приближаются к затратам идеализированного аналога, который, как следует из его определения, практически недостижим. Это явный признак, что рассматриваемая технология «исчерпала себя», и либо нет возможностей повышения ее эффективности, либо эти мероприятия требуют больших экономических затрат. Поэтому можно сделать вывод, что в производстве алюминия следует переходить на новую технологию.
Кроме того, в последнее время резко возросли дефицитность и стоимость углеродистых материалов, используемых для производства анодной массы и обожженных анодов (нефтяного и пекового кокса, пека и т. п.), а также требования, предъявляемые к их качеству.
Поэтому все больший интерес специалисты проявляют к новым методам получения А1 , например, к процессу электролиза с нерасходуемыми (инертными) анодами [5, 10]. Предлагаемый нами метод позволяет проанализировать новый процесс уже на уровне идеализированного аналога и сделать выводы о его возможной эффективности, структуре расходуемых энергоносителей, а, следовательно, его перспективности. Такой подход также относится к использованию термодинамических пределов, прост и удобен, а главное - теоретически обоснован.
Рис. 1. Изменение удельных расходов энергии на 1 т алюминия (а) и относительных
энергетических КПД (b) для метода Холла-Эру в течение ХХ в. Fig. 1. Variation of specific energy consumption per 1 ton of aluminum (a) and relative energy efficiencies (b) for the Hall - Heroult method for the period of XX century
Идеализированный аналог процесса производства алюминия в электролизерах с инертными анодами можно представить реакцией:
Е1 + АЫ0з = 2А1 + 1,502. (7)
Для этих двух технологий производства алюминия были рассчитаны материальный и полный энергетические балансы идеализированных аналогов (табл. 1). На их основе определены теоретические термодинамические характеристики - энергетический и эксергетический КПД и минимально необходимые энергетические затраты на их реализацию.
Ниже приводится сравнение предельных термодинамических характеристик этих двух процессов. КПД идеализированного аналога процесса Холла - Эру составил: пиСл = 0,871, пиСл = 0,814:
/эн ? ' /экс '
Минимально необходимые затраты на производство 1 т А1 составляют 40,601 ГДж, из которых электрическая энергия составляет 53,6%, химическая энергия топлива 35,8%, химическая энергия сырья 10,6%, т. е. структура энергетических затрат может быть описана следующими соотношениями: по энергии Еэл: 1т: 1С: ^ = 0,536 : 0,358 : 0,106 :
0,0 ; по эксергии Е : Е : Е : Е = 0,57з :
0,383 : 0,044 : 0,0.
Для процесса с инертными анодами эти показатели составили:
€Сл = 1, О 0,945 ,
минимально необходимый расход электроэнергии в 1,43 раза выше, чем с окисляемыми:
35,360=1 пТ= 30935=0,945. 35,360 32,731
„^идл %н =
35,360 40,601
= 0,871; гЭд=
30,935 38,001
= 0,814.
Однако суммарный расход энергии у него меньше, а КПД выше, чем у процесса с
Таблица 1
Материальный и полный энергетический балансы идеализированных аналогов процесса электролиз криолит-глиноземного расплава, на 1т Al
Table 1
Material and overall energy balances of idealized
analogs of electrolysis process o cryolite-alumina melt f per 1t of Al
Статья баланса Масса т Энергия ГДж/т Эксергия ГДж/т Статья баланса Масса т Энергия ГДж/т Эксергия ГДж/т
1 2 3 4 5 6 7 8
Электролиз с расходуемыми анодами
П р и х о д Р а с х о д
AI2O3 1,889 4,292 1,663 AI 1,0 35,360 30,935
С 0,444 14,533 14,562 CO 0,518 5,241 4,755
Еэл - 21,776 21,776 CO2 0,815 0,0 0,0
Потери эксергии - - 2,311
Итого 2,333 40,601 38,001 2,333 40,601 38,001
Электролиз с инертными анодами
П р и х о д Р а с х о д
AI2O3 1,889 4,292 1,663 AI 1,0 35,360 30,935
Окончание табл. 1
1 2 3 4 5 6 7 8
Еэл - 31,068 31,068 O2 0,889 0,0 0,0
Потери эксергии - - 1,796
Итого 1,889 35,360 32,731 Итого 1,889 35,360 32,731
расходуемыми анодами. Причем при практической реализации этого процесса у него есть целый ряд неоспоримых преимуществ. И если он подвергнется технологическому и конструктивному совершенствованию, то это может привести к снижению энергозатрат, подобно тому, как это было при внедрении существующей технологии.
Для реализации этой задачи требуется прогнозирование технического прогресса во всех отраслях экономики [11-14]. Исследования показывают, что при оценке перспективного энергопотребления следует учитывать следующие две противоположные тенденции.
Пример 2. Прогнозирование энергопотребления на долгосрочную перспективу. Одна из них связана с ухудшением качества перерабатываемого сырья, использованием менее качественных энергетических ресурсов, ужесточением требований по защите окружающей среды, что
приводит к увеличению затрат как непосредственно в производстве рассматриваемого продукта, так и в отраслях энергетического комплекса. Речь идет о переходе на обогащение более бедных руд в две стадии, о необходимости обогащения, удаления серы и других процессов предварительной переработки углей, сланцев, нефти, о новых установках для очистки технологических выбросов в окружающую среду. Все это в конечном итоге ведет к возрастанию удельных расходов энергии на производимый продукт.
Этому противостоит другая тенденция, обусловленная реализацией различных мероприятий по дальнейшему совершенствованию существующих и вводу новых, с лучшими технико-экономическими показателями, технологических процессов и оборудования. Эта тенденция направлена на снижение удельных расходов энергетических ресурсов в потребляющей сфере и
повышение энергетического КПД всех отраслей экономики.
В настоящее время широко распространено прогнозирование потребности по каждому виду энергии в отдельности - по электрической, тепловой энергии и топливу непосредственного использования. Это вносит дополнительные ошибки и неопределенность при прогнозировании, и чем больше глубина прогнозирования, тем эти ошибки значительнее. Для осуществления какого-либо процесса требуется подвести к нему определенное суммарное количество энергии при обеспечении необходимой ее структуры. То есть необходимо прогнозировать суммарное энергопотребление и затем в рамках этой величины определять долю энергии каждого вида.
Помимо этого, при создании аппарата для исследований энергопотребления нужно учитывать один из самых важных факторов - горизонт прогнозирования. Предлагаемый нами метод может быть использован для прогнозирования энергопотребления на долгосрочную перспективу. Аппарат для проведения такого рода исследований, очевидно, должен строиться упрощенно с учетом того обстоятельства, что в этом случае на момент осуществления прогноза, как правило, неизвестны либо малодостоверны технические и экономические характеристики тех процессов и оборудования, которые будут работать спустя 20 лет. В связи с этим при долгосрочном прогнозировании энергопотребления целесообразно использовать метод термодинамических пределов. Он хорошо сочетается, на наш взгляд, с нормативным методом путем замены прогноза удельных расходов энергии прогнозом энергетических КПД для основных технологий в сфере использования энергии [11-13].
Таким образом, чтобы использовать информацию об изменении термодинамической эффективности технологий для прогнозирования энергопотребления, нужно по ретроспективным данным экстраполировать значения КПД на необходимую глубину прогнозирования. Причем можно использовать данные прогноза как абсолютных, так и от-
носительных КПД. Второй показатель предпочтительней, поскольку, как было отмечено выше, идеальные аналоги не всегда пригодны для этой цели по причине предельных энергетических затрат для них (часто равны нулю).
Для каждой технологии из рассматриваемого списка должен быть разработан идеализированный аналог, определены минимально необходимые затраты энергии и работы Im.n, Fm.n и величины его энергетического и эксергетического КПД ^эиндл, ^.
Расчетным путем устанавливаются тенденции роста фактических КПД рассматриваемых технологий и делается прогноз на будущее (%н, цэкс - на прогнозируемом
уровне). На основе этих показателей определяется относительный энергетический КПД технологии:
ънг— ^ /ъд (8)
■пц— ъ с,(9)
и удельные энергозатраты для прогноза
I — I / ъотн ■ E = F / потн
t min ' /эн^ ' t min ' 1экс^ '
Те виды производства, для которых могут быть определены предельные энергетические затраты на основе идеального аналога, удельные затраты для прогноза могут быть определены и через абсолютный КПД, т. е.
Wl% ■ (10)
Ft=FmJn3fct . (11)
На основе исследования энергетического баланса реального процесса и баланса его идеализированного аналога можно определить и структуру энергоносителей для него: долю электрической энергии (Еэл), химической энергии топлива (Im),
химической энергии сырья ( I ), тепловой
энергии (I ), т.е. структура энергетических затрат может быть описана следующим соотношением: Еэл: : 1С: I . Соответственно для эксергетических затрат:
Е : Е : Е : Е .
эл т с д
Многочисленные исследования показывают, что учет основных энергоемких отраслей промышленности, транспорта, коммунально-бытового сектора и сельского хозяйства позволяют описать не менее 70% энергопотребления любого региона. Все остальные энергозатраты могут быть учтены посредством коэффициента у. Таким образом, с учетом разработанной методики потребность в энергии/эксергии на горизонт прогнозирования t может быть определена следующим образом:
1, =(1 + у )х
X
n m _ _ __/ \
- м j-1 ** / ^ W "}+
i=1 j=1 _ n m
+ Pt '
_ n m __/ \
pt -zz i / e* W; "}
i=1 7=1
(12)
Здесь / - индекс продукции, услуги, полезного эффекта; у - индекс технологии производства /-й продукции; 1 - горизонт прогнозирования; М - объем производства продукции; а ¡1 - доля /-й продукции, производимой по у-й технологии; Р - численность населения. Величины с черточками наверху являются прогнозными.
Первая составляющая учитывает затраты на производство продукции, задаваемой суммарными объемами. Вторая - энергопотребление, рассчитываемое на душу населения. Это относится к системам жизнеобеспечения (отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха, горячее водоснабжение, пищеприготовление, освещение и т. п.); системам всех видов транспорта людей; различного рода услуг.
В связи с неопределенностью исходной информации, величины Ъ и Еt получаются в некотором диапазоне, который возрастает с увеличением глубины прогнозирования.
Заключительным этапом прогнозирования является распределение суммарной потребности в энергии между различными видами энергии: химической энергией сырья, топлива, электрической и тепловой энергией в соответствии со структурой используемых энергоносителей в основных энергоемких технологиях.
В качестве примера рассмотрим 2-ю группу процессов по нашей классификации. Идеальным аналогом производства какого-либо вещества с заданным химическим составом является обратимая химическая реакция с цэн= 1;цэкс= 1. Таким свойством
обладает реакция девальвации данного вещества, используемая при определении его химической энергии (/х) и эксергии (ех). Следовательно, предельные минимальные затраты энергии и для производства заданного к-го вещества определяются величиной его химической энергии/эксер-гии. Эти затраты абсолютно минимальны для производства данного вещества вне зависимости от используемого сырья, извлекаемого из окружающей среды, и применяемой технологии его переработки. Таким образом, можно записать
imn = i, ■
™nk xk
E = e ■
msn k xk-
(13)
т. е. в качестве предельных энергетических затрат для процессов 2-й категории могут быть приняты соответствующие значения их химической энергии и эксергии [1, 5]. В табл.
2 приведены эти показатели для некоторых металлов, неорганических и органических химикатов.
Для уменьшения объема исходной информации при прогнозировании энергопотребления нами рассматривались не отдельные процессы, а технологические цепочки, начиная от добычи и переработки сырья до получения готового продукта. В табл.
3 приведены термодинамические пределы для некоторых технологий производства основных металлов [1, 4, 5].
Таблица 2
Значения предельных (теоретических) затрат энергии на получение некоторых металлов, неорганических и органических веществ, ГДж/т
Table 2
Values of marginal (theoretical) energy costs for production of some _metals, inorganic and organic substances, GJ/t_
Продукт Химическая формула i,, ГДж/т Продукт Химическая формула i,, ГДж/т
1 2 3 4 5 6
Металлы Сода кальцинированная Na2CO3 1,022
Чугун Fe + ~4%C 9,51 Сода каустическая NaOH 3,449
Сталь углеродистая Fe + до 1,7% C 8,954 Серная кислота H2SO4 0,971
Алюминий Al 35,36 Сера S 19,464
Свинец Pb 1,544 Хлор CI2 0,705
Хром Cr 12,656 Карбид кальция CaC2 24,68
Медь Cu 3,541 Органические химические соединения
Марганец Mn 9,501 Этанол C2H5OH 29,744
Никель Ni 6,217 Бензол C6H6 41,904
Серебро Ag 0,788 Мочевина CO(NH2)2 10,542
Цинк Zn 7,006 Метанол CH3OH 22,720
Олово Sn 5,004 Этилен C2H4 50,404
Титан Ti 19,729 Уксусная кислота C2H4O2 14,588
Неорганические химические соединения Ацетилен C2H2 49,996
Аммиак NH3 20,509 Изопрен C5H8 46,486
Водород H2 143,0
Таблица 3
Энергетические показатели идеализированных аналогов производства некоторых металлов и кремния
Table 3
Energy performances of idealized analogs of some metal and silicon production
Продукт, технология Минимально необходимые затраты, ГДж/т п"дл, % Эн п"дл, % 1ЭКС '
Сталь выплавленная по технологии: энергии эксергии
- выплавка чугуна-выплавка стали 14,423 12,177 59,2 54,3
- электроплавка металлолома 2,692 2,142 88,1 86,0
- прямое восстановление железа 3,077 2,482 77,1 74,1
Алюминий (из глинозема) 40,601 37,904 87,1 81,6
Медь (пирометаллургические способы) 28,01 21,66 12,6 12,7
Свинец (шахтная плавка) 6,002 5,455 25,7 27,0
Цинк
- пирометаллургические способы 23,063 20,553 30,3 28,9
- гидрометаллургический способ 20,288 17,760 34,6 33,4
Титан (магнийтермический способ) 37,216 37,042 53,2 50,3
Кремний (электроплавка) 52,571 52,622 61,6 58,2
Как следует из изложенного, прогнозирование энергопотребления прямо зависит от прогноза научно-технического прогресса в рассматриваемой отрасли. В процессе разработки научно-технических прогнозов определяется возможность создания принципиально новой техники, изучаются и планируются изменения технического уровня производства и качества продукции, устанавливаются необходимые затраты и технико-экономические показатели для новой техники. Неотъемлемой частью прогноза научно-технического прогресса явля-
ется также определение оптимальной структуры технологий в различных отраслях.
Объем работы, которую нужно провести для подготовки энергетических характеристик технологий, чрезвычайно велик. Тем не менее, без качественного прогноза энергопотребления бессмысленно детально прогнозировать развитие энергетики и выбирать структуру энергетических технологий. Поэтому исследования в области энергетики отраслей экономики должны быть важным разделом при прогнозировании энергопотребления на перспективу.
Заключение
Термодинамика изучает законы преобразования энергии из одного вида в любой другой. Поскольку всевозможные потери происходят именно в момент этих преобразований, их надо изучать, это влияет на эффективность процесса. Поэтому область применения термодинамики очень широка, постоянно расширяется с течением времени и позволяет получить новые результаты. В настоящей статье рассмотрены возможности использования термодинамических пределов, в числе которых помимо КПД тепловой машины Карно, уже вошли многие другие, ранее не используемые показатели. Это минимально необходимые затраты энергии на производство химических веществ, продуктов и эффектов в различных
отраслях экономики, идеальные и идеализированные аналоги процессов и их КПД. Привлечение второго начала термодинамики с использованием понятия эксергия в эти исследования еще более повышает уровень достоверности и значимости полученных результатов.
Пользуясь величинами термодинамических пределов, можно определить теоретический потенциал энергосбережения каждой технологии, нужный момент замены одной технологии, исчерпавшей себя, другой, более совершенной. И даже по суммарным выбросам эксергии оценить уровень негативного влияния технологии на окружающую среду.
Библиографический список
1. Stepanov V.S. Analysis of energy efficiency of industrial processes. Heidelberg: Springer-Verlag, 1992. 187 p.
2. Степанов В.С., Степанова Т.Б., Старикова H.В. Эк-сергетический анализ систем генерирования, транспорта и потребления энергии. Иркутск: Изд-во Иркутского государственного технического университета, 2016. 276 с.
3. Stepanov V.S., Stepanov S.V. Energy use efficiency of metallurgical processes // Energy Conversion & Management. 1998. Vol. 39. No. 16-18. P. 1803-1809.
4. Степанов В.С., Степанова Т.Б., Старикова H.В. Химическая энергия и эксергия веществ: методы расчета, область применения, справочные данные. Иркутск: Изд-во Иркутского государственного технического университета, 2017. 217 с.
5. Степанов В.С., Степанов С.В. Термодинамические исследования металлургических процессов: энергетические балансы, эксергетический анализ. Иркутск:
Изд-во Иркутского государственного технического университета, 2013. 380 с.
6. Szargut J., Morris D.R., Steward F.R. Exergy analysis of thermal, chemical and metallurgical processes. New York: Hemisphere, 1988.
7. Rant Z. Exergie, ein neues Wort für "technische Arbeitsfähigkeit" // Forsch. Ing. Wes. 1956. Vol. 22, №. 1. Р. 36-37.
8. Бродянский В. М. Эксергетический метод термодинамического анализа. М.: Энергия, 1973. 296 с.
9. Groscurth H.M., Kümmel R., Van Gool Thermodynamic limits to energy optimization // Energy. 1989. Vol. 14. No. 5. P. 241-258.
10. Багров О.Н., Клешко Б.М., Михайлов В.В. Энергетика основных производств цветной металлургии. М.: Металлургия, 1979. 376 с.
11. Бялковская В.С. Перспективное планирование направлений технического прогресса. М.: Экономика, 1973. 191 с.
12. Янч Э. Прогнозирование научно-технического прогресса. М.: Прогресс, 1974. 586 с.
13. Belyaev L.S., Marchenko O.V., Filippov S.P., Ste-panova T.B. World energy and transmission to sustainable development. Dordrecht/Boston/London: Kluwer Academic Publishers. 2002. 264 p.
14. Баймачев Е.Э. Определение минимальных затрат эксергии на отопление и естественную вентиляцию жилых зданий // Известия вузов. Строительство. 2014. № 7. С. 67-73.
References
1. Stepanov V.S. Analysis of energy efficiency of industrial processes. Heidelberg: Springer-Verlag Publ., 1992, 187 p.
2. Stepanov V.S., Stepanova T.B., Starikova N.V. Eksergeticheskij analiz sistem generirovaniya, transporta i potrebleniya energii [Exergy analysis of energy generation, transportation and consumption systems]. Irkutsk: Irkutsk State Technical University Publ., 2016, 276 р. (In Russian)
3. Stepanov V.S., Stepanov S.V. Energy use efficiency of metallurgical processes. Energy Conversion & Management, 1998, vol. 39, no. 16-18, рp. 1803-1809.
4. Stepanov V.S., Stepanova T.B., Starikova N.V. Himicheskaya energiya i eksergiya veshchestv: metody rascheta, oblast' primeneniya, spravochnye dannye [Chemical energy and exergy of substances: calculation methods, application field, reference data]. Irkutsk: Irkutsk State Technical University Publ., 2017, 217 р. (In Russian)
5. Stepanov V.S., Stepanov S.V. Termodinamicheskie issledovaniya metallurgicheskih processov: energetich-eskie balansy, eksergeticheskij analiz [Thermodynamic studies of metallurgical processes: energy balances, exergy analysis]. Irkutsk: Irkutsk State Technical University Publ., 2013, 380 р. (In Russian)
6. Szargut J., Morris D.R., Steward F.R. Exergy analysis of thermal, chemical and metallurgical processes. New York: Hemisphere, 1988.
7. Rant Z. Exergie, ein neues Wort für "technische Arbeitsfähigkeit". Forsch. Ing. Wes. 1956, vol. 22, no. 1,
Критерии авторства
Степанов В.С., Степанова Т.Б., Старикова Н.В. заявляют о равном участии в получении и оформлении научных результатов и в равной мере несут ответственность за плагиат.
pp. 36-37.
8. Brodyanskij V.M. Eksergeticheskij metod ter-modinamicheskogo analiza [Exergy method of thermodynamic analysis]. Moscow: Energiya Publ., 1973, 296 p. (In Russian)
9. Groscurth H.M., Kümmel R., Van Gool Thermodynamic limits to energy optimization. Energy. 1989, vol. 14, no. 5, pp. 241-258.
10. Bagrov O.N., Kleshko B.M., Mihajlov V.V. Energetika osnovnyh proizvodstv cvetnoj metallurgii [Power generating centres of the main production of non-ferrous metallurgy]. Moscow: Metallurgiya Publ., 1979, 376 p. (In Russian)
11. Byalkovskaya V.S. Perspektivnoe planirovanie napravlenij tekhnicheskogo progressa [Long-term planning of technical progress directions]. Moscow: Ekonomika Publ., 1973, 191 p. (In Russian)
12. Yanch E. Prognozirovanie nauchno-tekhnicheskogo progressa [Prediction of the scientific and technological progress]. Moscow: Progress Publ., 1974, 586 p. (In Russian)
13. Belyaev L.S., Marchenko O.V., Filippov S.P., Stepanova T.B. World energy and transmission to sustainable development. Dordrecht. Boston. London: Kluwer Academic Publishers, 2002, 264 p.
14. Bajmachev E.E. The definition of minimal cost energy for heating and natural ventilation of residential buildings. Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo [News of universities. Construction], 2014, no. 7, pp. 67-73.
Contribution
Stepanov V.S., Stepanova T.B., Starikova N.V. declare equal participation in obtaining and formalization of scientific results and bear equal responsibility for plagiarism.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ Степанов Владимир Сергеевич, доктор технических наук, профессор кафедры электроснабжения и электротехники, e-mail: [email protected] Степанова Татьяна Борисовна, доктор технических наук, профессор кафедры электроснабжения и электротехники, e-mail: [email protected] Старикова Наталья Владимировна, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения и электротехники, e-mail: [email protected]
Conflict of interest
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS Vladimir S. Stepanov, Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Department of Electric Power Engineering and Electrical Engineering, e-mail: [email protected] Tatiana B. Stepanova, Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Department of Electric Power Engineering and Electrical Engineering, e-mail: [email protected] Natalia V. Starikova, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Department of Electric Power Engineering and Electrical Engineering, e-mail: [email protected]
