Эффективное потребление энергии

 

Сохранение тепла и сбережение энергии. Всем понятно: сохране- ние тепла в жилых домах, различных помещениях и сбережение энергии

в быту, на производстве и транспорте — есть прямой путь сохранения природных ресурсов. Современный уровень развития естествознания и наукоемких технологий позволяет строить дома с относительно неболь- шим потреблением энергоресурсов вне зависимости от климата и выра- щивать тропические растения в суровых климатических условиях. Мно- гим кажется, что все это относится к потенциальным возможностям и благим намерениям. Однако такое мнение ошибочно: уже возводятся тропические сады и строятся почти сказочные жилые дома. Попытаемся убедиться в этом.

В Скалистых горах Западного Колорадо США в штаб-квартире Ин- ститута Рокки Маунтин, на высоте 2200 м над уровнем моря расположена банановая ферма с пассивным солнечным освещением. Здесь растут ба- наны, хотя эта зона и климат совсем не подходят для их выращивания, ведь иногда температура опускается до — 44 °С. Сезон роста растений между сильными морозами составляет 52 дня, а заморозки могут слу- читься даже в июльский день. Солнечная погода неустойчива — в сере- дине зимы насчитывается до 39 облачных дней, а иногда за декабрь и ян- варь бывает не более семи солнечных дней. Тем не менее в январе, в ме- тель и непогоду созревают бананы, апельсины, а с приближением весны, когда дни становятся длиннее, джунгли покрываются растительно- стью — появляются авокадо, манго, виноград и т.п. И все же здесь нет традиционной малоэффективной системы отопления. Две небольшие

 

печки, рассчитанные на сжигание дров, используются время от времени для обогрева или просто для приятного отдыха. Они дают около 1 % теп- ла, требуемого для обогрева обычного дома в этом районе, а остальное яв- ляется пассивным солнечным теплом. Даже в пасмурные дни солнечное тепло улавливается специальными окнами, обеспечивающими теплоизо- ляцию, равноценную 12 листам стекла: прозрачные бесцветные окна про- пускают внутрь 3/4 видимого света и половину всей солнечной энергии, но

 

практически не позволяют теплу бесполезно рассеиваться. Пенопласто- вая изоляция внутри каменных стен и крыши по крайней мере вдвое уменьшает тепловые потери. Свежего воздуха достаточно — он предва- рительно подогревается теплообменниками, возвращающими 3/4 тепла,

 

которое обычно уносится при проветривании помещения.

Сколько же стоила вся эта теплоизоляция? Дополнительные затраты были перекрыты экономией при строительстве дома без традиционной системы отопления и воздуховодов. Сэкономленные деньги и еще

16 долл./м2 истрачены для сбережения 50% расходуемой воды, 99% энер-

гии нагревания воды и 90% — для бытовой техники. При тарифе в

0,07 долл./кВт • ч счет за всю потребляемую бытовую электроэнергию составляет примерно 5 долл./мес.

Дневной свет, поступая со всех сторон, обеспечивает 95 % необходи- мого освещения; сверхэкономичные лампы сберегают 3/4 энергии, требуе-

мой для дополнительного освещения. Яркость ламп регулируется в зави- симости от интенсивности дневного света, а когда в комнате никого нет, они автоматически выключаются. Холодильник потребляет только 8%, а морозильная камера — 15% электроэнергии, необходимой для обычного холодильника. Такой экономичный холодильник снабжен эффективной изоляцией, и его система охлаждается в течение полугода наружным воз- духом. Стиральная машина новой конструкции экономит около 2/3 воды и

 

3/4 порошка, стирает качественнее и продлевает срок службы белья и оде- жды. Газовая кухонная плита сберегает энергию благодаря применению швейцарской керамической посуды с двойной стенкой и британского чайника, теплоизоляция которых позволяет сэкономить треть потребляе- мого газа и уменьшить время приготовления пищи и кипячения воды. Вне помещения изолированная пассивно-солнечная фотоэлектрическая фер- ма помогает поросятам набирать вес, а курам нести яйца, поскольку им не

 

приходится затрачивать слишком много энергии на поддержание темпе- ратуры собственного тела.

Затраты на электроснабжение окупаются за первые 10 месяцев. В

дальнейшем энергосбережения пойдут на оплату всего здания в течение

40 лет. Такое здание должно прослужить по крайней мере в 10 раз дольше обычного. По его ориентации на юг и по необычной форме изогнутых ка- менных стен археологи будущих поколений, вероятно, придут к выводу о том, что они обнаружили храм первобытного поклонения Солнцу.

Возведенное в Скалистых горах здание, объединяющее под одной крышей научно-исследовательский центр с 20 рабочими местами и фер- му, посетили десятки тысяч гостей. Большинство из них отмечают: самая важная особенность здания в том, что оно помогает его обитателям лучше себя чувствовать и лучше работать. Действительно, естественное освеще- ние, здоровый воздух, приятный шум водопада, настроенный на аль- фа-ритм человека и оказывающий успокаивающее действие, отсутствие механических шумов, зеленая растительность джунглей — все это созда- ет в обычных условиях поистине райскую атмосферу для жизни. Конеч- но, некоторые детали этого дома можно было бы совершенствовать, но

основные принципы его планировки и строительства продолжают волно- вать воображение.

В 1983 г. Швеция ввела стандарт на тепловую изоляцию: макси- мально допустимые тепловые потери для домов не должны превышать

60 кВт • ч/м2в год. В Германии, например, дома обычно в среднем теряют

200 кВт • ч/м2 в год. И все же шведский стандарт можно значительно улучшить. Это доказывает один из наиболее ярких примеров — пассив- ный дом, построенный в Дармштадте, в 50 км южнее Франкфурта. Потребность в дополнительном тепле для этого дома не превышает

15 кВт • ч/м2 в год. Для него требуется на 90% меньше электроэнергии,

чем обычным немецким домам той же площади, но при этом обеспечива- ется более высокий уровень комфорта.

Можно привести примеры экономичных домов не только для холод- ного, сурового, но и для жаркого, тропического климата. А это означает, что ни холод, ни жара, ни влажность не являются препятствием для зна- чительного энергосбережения при отличном комфорте и рентабельности.

Экономия электроэнергии. В большинстве промышленно развитых стран 30—50% электроэнергии потребляется бытовыми электроприбора- ми для нагревания воды, освещения, вентиляции и т.п. Тщательный ана- лиз показывает, что можно поддерживать современный уровень бытовых услуг (охлаждение, чистку, стирку, уборку и т.д.), используя лишь 20% электроэнергии, потребляемой в настоящее время. Например, благодаря усовершенствованию компрессора, системы охладителя, регулятора тем- пературы и улучшению изоляции годовое потребление энергии датским

 

200-литровым холодильником уменьшилось с 350 до 90 кВт • ч. Приме-

нение вакуумной изоляции в голландском холодильнике сокращает энер- гопотребление до 30 кВт • ч в год.

Лучшее датское кухонное оборудование в 1988 г. потребляло около

400 кВт • ч в год. Новейшие передовые технологии позволили уменьшить эту цифру до 280, и это не предел. Такой эффект достигается благодаря простым усовершенствованиям — улучшению термоконтакта между на- гревательным элементом и кастрюлей, термоизоляции духовки и т.п. Примерно половина энергии на освещение в США и существенно боль- шая часть в развивающихся и бывших социалистических странах потреб- ляется лампами накаливания, конструкция и устройство которых практи- чески не изменились за более чем полувековой период. Такие лампы по существу являются электронагревателями — менее 10% потребляемой энергии в них излучается в виде света. В настоящее время почти все лам- пы накаливания можно заменить люминесцентными. Одна 18-ваттная компактная люминесцентная лампа, заменяющая 75-ваттную лампу на- каливания, способна на протяжении своего срока службы сэкономить около 200 л нефти, потребляемой электростанцией на жидком топливе, или предотвратить выброс в атмосферу 1 т двуокиси углерода, 4 кг оки- слов серы и 1 кг окислов азота, не считая других выбросов от работающих на угле станций.

Люминесцентные лампы — это не единственное средство экономии электроэнергии на освещении. Крупные лампы накаливания лучше заменять металлогалогенными или натриевыми лампами высокого давле- ния. В последнее время большое внимание уделяется осветительным приборам на основе светодиодов, существенно сокращающих потребляе- мую энергию. В 1997 г. изготовлен светодиод, излучающий белый свет. Белый светодиод площадью менее 1 см2 излучает такой же свет, как и

80-ваттная лампочка, при этом потребляемая мощность составляет лишь

3 Вт. Ресурс средней лампочки накаливания — 1000—1500, а светово- да — 50 тыс. ч. По мере совершенствования технологии изготовления се- бестоимость световодов уменьшится, и они сэкономят немало энергии. Внедрение уже выпускаемого промышленностью инфракрасного датчи- ка, с помощью которого включается свет при входе человека в помеще- ние и выключается при его выходе, позволит навсегда забыть известное многим напоминание «уходя, гасите свет».

С развитием информатизации общества персональный компьютер становится предметом массового пользования. Потребляемая мощность широко распространенного компьютера составляет около 150 Вт. При- мерно половина ее приходится на цветной монитор. Более эффективные мониторы с теми же характеристиками потребляют в несколько раз мень- ше энергии. Дисководы жесткого диска, произведенные в прошлом деся-

 

 

тилетии, расходуют в 5—10 раз больше энергии, чем современные. Неко-

торые модификации портативных компьютеров потребляют всего не- сколько ватт, но по своим возможностям не уступают настольным персо- нальным компьютерам.

С помощью компьютера создаются электронные книги и каталоги больших объемов, что приводит к экономии бумаги, на производство которой требуется огромная масса древесины и громадное количество энергии. Кроме того, компьютер открывает большие возможности элек- тронной почты, позволяющей по сравнению с обычной почтой косвенно экономить энергию. В последние десятилетия интенсивно развивается еще один вид компьютерных услуг — Интернет, открывающий новые го- ризонты применения информационных технологий. При этом сокращает- ся не только время поиска и передачи информации, но и материальные, и энергетические ресурсы для их реализации.

Энергоснабжение на промышленных предприятиях. Промышлен- ные предприятия, выпуская ту или иную продукцию, потребляют боль- шое количество природных ресурсов и энергии. Поэтому к современным предприятиям предъявляются требования не только производить высоко- качественную продукцию, но и экономно расходовать природные ресур- сы, сберегать энергию и тем самым сохранять окружающую среду. Тех- ническое оборудование любого промышленного предприятия со време- нем устаревает. Новые технологии требуют кардинального обновления устаревшего оборудования, т.е. модернизации технической базы про- мышленности в целом. Современная промышленность включает множе- ство отраслей, связанных с производством разнообразных материалов, автомобильной и авиационной техники, технических средств связи, стан- ков, инструментов и многого другого. Промышленных отраслей много, и каждая из них имеет свою специфику. Однако способы модернизации промышленных предприятий разных отраслей принципиально не разли- чаются и направлены в основном на экономию сырья и энергии при повы- шении качества выпускаемой продукции.

 

Промышленные предприятия — один из основных потребителей энергии. Даже небольшая доля сбереженной на них энергии приводит к значительной экономии. Способы экономии энергии в технологическом процессе производства той или иной продукции чаще всего известны, но не всегда внедряются.

Что же нужно сделать, чтобы они внедрялись и приносили доход? Возможны различные пути решения данной задачи. Например, совсем не сложный путь выбрала одна из химических компаний США. В ней в тече- ние 12 лет — с 1981 по 1993 г. — ежегодно для сотрудников, занимаю- щих место не выше контролера, объявлялся конкурс на проект по элек-

 

тросбережению. Важное условие конкурса: энергосбережение или сокра-

щение потерь должно окупаться в течение одного года при первичных затратах, не превышающих 200 тыс. долл. Представленные проекты тща- тельно проверялись. И вот результат — за 12 лет доход от 575 проектов в среднем составил 204% в год при общей экономии 110 млн. долл. в год.

Во многих случаях энергосбережение и сокращение потерь основаны на внедрении передовых технологий, рожденных в недрах важнейших достижений современного естествознания. Открываются новые свойства вещества, синтезируются необычные химические соединения, а из них производятся уникальные материалы — все это составляет основопола- гающую базу для прогрессивного развития любого производства и в ко- нечном результате способствует гармоничному сочетанию деятельности человека и природы.

 

 

11.5. ЭКОНОМИЯ МАТЕРИАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ

 

Один из важнейших путей энергосбережения ресурсов связан с эф- фективным использованием материалов в процессе производства про- дукции. Конечно, разные производства отличаются своей спецификой потребления материалов. Поэтому легче проследить за производством и потреблением материалов, скажем, на предприятиях автомобильной про- мышленности, которая, например, в США составляет — по числу заня- тых и по уровню расходов и — валового национального дохода. Автомо- бильная промышленность потребляет примерно 70% свинца, 60% рези- ны, ковровых покрытий и ковкого чугуна, 40% инструментальных мате- риалов и платины, 34% железа, около 25 % алюминия, цинка, стекла и полупроводниковых материалов, 14% стали и 10% меди. За последние де- сятилетия потребление этих материалов изменялось незначительно: на- пример, с 1984 по 1994 г. средний американский автомобиль стал на 1% тяжелее, в нем до 3% пластмасс и цветных металлов.

Современныйавтомобиль, весящий не менее тонны, перевозит не

только пассажиров и полезный груз, но и самого себя, на что расходуется много топлива. Кроме того, производство автомобиля сопровождается громадным потоком сырья, материалов, готовых изделий. Расчеты пока- зывают, что для изготовления только одного автомобиля необходимо пе- ревезти более 1520 т груза, включающего добываемое сырье, материалы, детали и т.п. С появлением сверхлегких автомобилей такой поток суще- ственно уменьшится. Предполагается, что благодаря переходу к поли- мерным и композиционным материалам можно уменьшить массу авто- мобиля примерно в 3 раза.

 

Сверхлегкий автомобиль по сравнению с американским автомобилем

1994 г. будет содержать: вдвое больше композиционных и полимерных

 

материалов, на 1/8 меньше меди, на 9/10 меньше железосодержащих метал-

лов, на 1/3 меньше алюминия, на 2/3 меньше резины, на 4/5 меньше платины и нетопливных жидкостей. Такой автомобиль будет весить 400—500 кг.

Его создание потребует существенной модернизации практически всех

систем, включая двигатель, систему трансмиссии и др.

Можно привести и другие примеры эффективного использования ма- териалов. Так, при замене бетонных опор линии электропередачи сталь- ными достигается шестикратное увеличение эффективности использова- ния материалов. На бетонные опоры требуется в 3 раза больше материа- лов, чем на стальные, которые служат в два с лишним раза дольше, и их можно производить из чугунного и стального лома, что приводит к даль- нейшей экономии.

Важнейший природный ресурс — пресная вода. Приведем некоторые примеры рационального ее потребления. Примерно в 1,6 раза повышает- ся эффективность использования воды при подпочвенном капельном орошении, при котором с помощью линий орошения, расположенных на глубине 20—25 см, подается небольшое количество воды в зоне корневой системы растений. При этом поверхность почвы остается сухой, что уменьшает поверхностное испарение и уменьшается объем стока и про- сачивания воды в глубину.

Чрезвычайно большое количество воды расходуется при производст- ве бумаги и картона. Так, в 1900 г. производители бумаги в Европе по- требляли примерно 1 т воды на 1 кг продукции. К 1990 г. потребление воды уменьшилось более чем в 15 раз и составило 64 л, из которых 34 л шло на производство целлюлозы и 30 л — на изготовление бумаги и кар- тона из целлюлозы. Благодаря дальнейшему совершенствованию техно- логического цикла и в результате роста платежей за сточную воду, напри- мер, в Германии расход воды сокращен до 20—30 л, а на одной из совре- менных бумажных фабрик удалось совсем исключить сточные воды из производства упаковочной бумаги. Требуется лишь небольшое количест- во воды для компенсации испарений и улучшения механохимических свойств бумаги. В результате расходуется не более 1,5 л пресной воды на

1 кг упаковочной бумаги.

Можно существенно повысить эффективность бытового потребления воды. В настоящее время, например, в США на одного человека в сутки расходуется около 300 л воды только внутри жилого дома. Внедрение но- вого сантехнического оборудования, в частности шведского туалета с расходом 3 л на слив, более эффективных посудомоечных и стиральных

 

машин, а также использование в ряде случаев дождевой воды и другие меры могут в несколько раз сократить бытовое потребление воды.

Руководители многих современных промышленных предприятий по- нимают, что уменьшение потоков материалов в производстве, устране- ние их потерь и превращение отходов в ценные продукты — это выгод- ный путь увеличения прибыли, ведущий к рациональному использова- нию материалов и одновременно к сохранению окружающей среды.

Анализ специалистов показывает, что такой традиционный материал как древесина, более надежен и долговечен, чем бетон. Древесина — это удивительный строительный материал. На его производство идет менее одной четверти энергии, потребляемой для производства бетона. Древе- сина — восстанавливаемый материал: на месте вырубленного леса про- изводят посадку молодых деревьев. Часто строят дома из бревен традици- онным способом, который не предусматривает экономию древесины. В результате применения более оптимальной конструкции дома в сочетании

с хорошими теплоизоляционными материалами — минеральной ватой и стекловолокном — экономятся энергия и материальные ресурсы. В произ- водстве мебели для изготовления столярных изделий широко используют древесные плиты, получаемые в результате прессования и склеивания мел- ких частиц. При этом можно использовать отходы древесины и непригод- ные для строительства и производства мебели материалы.

Следует упомянуть еще об одном широко распространенном виде ма- териалов — пластмассах. Они постепенно вытесняют другие материалы,

и объем их производства постоянно растет. В этой связи возникает серь- езная проблема утилизации отработанных или использованных пласт- массовых изделий. Пластмасса не подвергается гниению, а при ее сжига- нии выделяются хлор, диоксин и другие токсичные вещества. Выход один — надо искать альтернативный вид материала. И один из таких ви- дов найден — это белланд. Он обладает очень ценным свойством: при во- дородном показателе рН немного выше семи он растворяется в воде. Ему присущи все основные качества пластмассы: прозрачность, эластичность

и различная жесткость, что позволяет использовать его для производства

как мягких упаковочных, так и прочных изделий. При добавлении несколь- ких капель лимонной кислоты или другого безвредного вещества белланд коагулирует. Выпавший осадок можно собрать и превратить в гранулы для дальнейшей переработки. Переработанный таким образом материал обла- дает теми же свойствами, что и исходный, а для его переработки требуется гораздо меньше энергии, чем для первоначального синтеза.