Ексергія — шлях енергозбереження

Для України проблема збереження енергетичних і сировинних ресурсів особливо актуальна в умовах ринкової економіки при обмежених ресурсах основних енергоносіїв — нафти та газу. Політика енергозбереження промислово розвинених країн дала їм можливість істотно знизити енерговитрати на виробництво одиниці валового продукту та зайняти передові позиції на світовому ринку.

В останні десятиліття за кордоном ведуться фундаментальні дослідження діяльності ряду галузей, виробництв і технологій із позицій ексергетичної методології. Величина, що визначає придатність до дії (працездатність) ресурсів речовини та енергії, була названа ексергією, а функції, що визначають її значення, — ексергетичними. Термін «ексергія» був введений в 1956 році та походить від грецького слова ergon — робота і префікса ex, яка означає тут високий ступінь.

Потоки енергії та ексергії завжди співіснують. Вони можуть дорівнювати один одному, якщо йдеться про потоки механічної чи електричної енергії, і дуже сильно відрізняються в потоках теплоти.

Ексергія не тільки кількісно характеризує енергію будь-якого виду, а й дозволяє оцінити її якісний аспект. Вона визначає перетворюваність, придатність енергії для технічного використання в будь-яких заданих умовах.

Оскільки ексергія є єдиною мірою працездатності, придатності енергетичних ресурсів, її застосування дає змогу дати об’єктивну оцінку енергетичних ресурсів будь-якого виду, зокрема, і вторинних. Використання ексергії відходів виробництва не тільки зменшує витрати відповідної енергетичної сировини, а й сприяє зниженню капіталовкладень у видобуток і переробку цієї сировини, наприклад, економія коксу при вдуванні відновного газу в доменну піч веде до зменшення капіталовкладень у розвиток коксохімічного виробництва.

Таким чином, ексергія являє собою деяку універсальну міру енергетичних ресурсів.

Хімічну ексергію рідких і твердих відходів виробництва можна використовувати в подальших виробничих процесах: доменний шлак — для виробництва будівельних матеріалів, сталеплавильний шлак — для виплавки чавуну, побутові відходи — для отримання синтезу-газу для опалення міст.

Фахівці розрахували втрати ексергії балансового вугілля і можливе її збереження для доменного процесу. Так, ексергія вугілля постадійно знижується від 100% у балансових запасах до 78,0% у рядовому вугіллі (тобто 22% залишається в надрах) і до 56,4% у доставленій збагаченій вугільній шихті (тобто 21,6% втрачається при збагаченні вугілля). І тільки 32,8% залишаються в металургійному скіповому коксі, що надходить у доменну піч, тобто при термохімічній переробці — коксуванні втрати сягають 23,6%. З урахуванням використання відновного газу втрати при коксуванні становлять 12,2%, ексергія скіпового доменного коксу та відновного газу становитиме 45,0% (у корисну роботу йде 45% від добутого вугілля).

Ще більшою мірою проявляються втрати в перерахунку на пластове вугілля: від 100% у надрах до 37,4% у металургійному коксі та відновному газі.

Весь енергетичний комплекс від забою або свердловини до кінцевих споживачів енергії можна подати як процес передачі ексергії від одного носія до іншого з поступовим або різким її зниженням чи зникненням.

Ексергетичний баланс, на підставі якого встановлюється масштаб використання сировинних і енергетичних ресурсів, вказує на можливість підвищення коефіцієнта корисної дії процесу. Наприклад, доменна піч є агрегатом із великим ексергетичним коефіцієнтом корисної дії (близько 70%) завдяки протитечії шихти та газу в печі. Для порівняння: ексергетичний коефіцієнт корисної дії електростанції в складі підприємства становить приблизно 25%. Ексергетичний баланс доменної печі вказує на відносно високі втрати ексергії при стисканні та нагріванні дуття, а також втрати доменного газу й визначає шляхи її збереження.

Академік В.Легасов писав, що нині існуюча технологія вилучення, переробки і використання багатств нашої планети вичерпала свої можливості. Здійснювані економічні реформи мають бути спрямовані на перехід на нову модель розвитку з використанням ексергетичної методології. Така модель базується на економній витраті ресурсів завдяки повсюдному переходу на наукомісткі енерго- і ресурсозберігаючі технології. Це стане основою для переходу з індустріального суспільства в технологічне. Технологія визначає подальшу долю людства.

Існує чимало прикладів успішного застосування ексергетичної методології при техніко-економічній оптимізації в промисловості, особливо в енергоємних галузях.

Втрату ексергії можна зменшити за рахунок поєднання теплових процесів. Поєднання процесу безперервного розливання сталі з прокатуванням на стані литої заготовки виключає незворотні втрати тепла в навколишнє середовище при проміжному додатковому нагріванні зливків перед прокатуванням їх на блюмінгу або слябінгу на заготовки. Незворотні процеси втрати ексергії можуть бути також частково виключені завдяки поєднанню технологічних і теплових процесів. При водяному охолодженні конструкцій металургійних агрегатів, нагрітих до високої температури, фізична ексергія охолодження елементів залишається невикористаною через низьку температуру підігріву води. Щоб одержати можливість використовувати фізичну ексергію охолоджувальних елементів, необхідно здійснювати охолодження з утворенням пари.

Нині вартісні оцінки не можуть служити єдиною мірою ефективності підприємств, які переробляють енергоресурси. При зміні ціни на вугілля, газ, електроенергію та транспортних витрат чимало підприємств можуть стати нерентабельними.

Ексергія є фізичним, а не економічним критерієм і визначає незалежність цього параметра від кон’юнктурних коливань цін.

Ексергетичний підхід допоміг виявити зв’язки термодинамічних характеристик технічних об’єктів із техніко-економічними, а останнім часом і з екологічними. Засновані на цих зв’язках методики дають можливість вирішувати завдання техніко-економічної оптимізації виробництва.

Вартісні показники не дозволяють здійснити довгострокове прогнозування. Типовий приклад — товщина стін наших будівель та їхні теплозахисні властивості. При занижених цінах на теплоту для опалення товщина стін вибиралася за мінімумом зведених витрат, тому проектували будівлі з тонкими стінами і великою кількістю скла. Це була ілюзорна економія — вона багаторазово перекривається перевитратою на виробництво тепла, особливо зі зростанням цін на енергоносії. В окремих країнах із подібними з Україною кліматичними умовами нормативи на товщину стін набагато вищі, ніж у нас.

Визначати мінімум необхідно не грошовими витратами, а витратами ексергії на одиницю виданої теплоти. Непридатність тільки грошових критеріїв очевидна.

Усі витрати на запобігання та компенсацію шкоди, яка завдається навколишньому середовищу різноманітними технологіями, мають включатися у витрати на здійснення цих технологій.

У деяких провідних європейських країнах і в США ексергетичний аналіз запровадили як обов’язкову складову розроблюваних проектів, а також планів модернізації виробництв. Використовується він
також при оцінці природних ресурсів. (Наприклад, геологічний комітет США враховує геотермальні ресурси за їх ексергією.) Навіть Росія, володіючи великими запасами природних енергоносіїв, активно впроваджує ексергетичну методологію для вдосконалення нафтохімічних виробництв.

Україна, яка належить до країн з обмеженими енергоресурсами, не приділяє цьому питанню достатньої уваги. У ряді випадків відсутнє необхідне для управління сучасним виробництвом «ексергетичне мислення», що дозволяє кількісно враховувати не тільки витрати, а й цінність різноманітних видів енергії.

Застосування ексергетичної методології для порівняння різноманітних енергоджерел надає перевагу екологічній схемі використання сонячної енергії.

Попри велике значення ексергетичної методології в техніко-економічній оцінці енергозберігаючих технологій, освітні програми вузів не завжди включають вивчення цієї важливої дисципліни.

Таким чином, ексергія являє собою важливий універсальний показник ефективності енергоресурсів і виробленої продукції, а ексергетична методологія може стати у подальшому основою для переходу від індустріального суспільства до технологічного.