Запрограммированная бессистемность

Уровень энергоэффективности зависит от развития общества и трактовки его сути.
Михаил Врубель "Жемчужина"

Как отмечается в материалах Минэнерго, энергоемкость российской экономики существенно превышает в расчете по паритету покупательной способности аналогичный показатель в США, в Японии и развитых странах Европейского союза.

При этом отмечается, что барьерами, сдерживающими развитие энергосбережения и энергоэффективности в стране, являются недостаток мотивации, недостаток информации, недостаток опыта финансирования проектов, недостаток организации и координации.

Но можно взглянуть на проблему энергоэффективности и с другой точки зрения – определить требования, без выполнения которых проблематично добиться кардинального повышения энергоэффективности.

Необходимость системного подхода

Как отмечают специалисты, попытки разрозненного решения проблемы повышения энергоэффективности не всегда могут привести к требуемому результату. Сумма лучших решений, полученных для частей по отдельности, не является лучшим решением для целого. По словам академика РАН Макарова А.А., «энергетические технологии обычно не работают изолированно, а в комплексах или системах, где сумма локальных оптимумов по определению не соответствует глобальному».

Энергетика связана практически со всеми отраслями материального производства, и решение проблемы энергоэффективности в масштабах страны возможно только при комплексном (точнее, системном) подходе. Иначе значительные затраты материальных ресурсов могут привести в целом к мизерному результату.

Системный подход означает, что деятельность отдельных предприятий (подсистем) должна изучаться как часть системы более высокого иерархического уровня с учетом внутренних и внешних связей. При этом оценивать деятельность изучаемого объекта следует не только с точки зрения достижения его локальных целей, но и обязательно с позиций того, насколько эти цели согласуются с целями системы более высокого иерархического уровня и интересами общества в целом.

При системном подходе возможна суперпозия (наложение) технологических процессов подсистем, возможно упрощение системы, а иногда и отпадает необходимость в некоторых элементах.

Можно выделить несколько иерархических уровней: объект (здание), предприятие, населенный пункт, регион. Особенно велика значимость системного подхода на самом высоком уровне – уровне государства. Если говорить о масштабах всей страны, то здесь необходима системность и более высокого уровня. Ресурсосбережение и снижение энергозатрат могут иметь сильный мультипликативный эффект для всей экономики в целом.

Применение системного подхода может оказать существенное влияние на выбор конструкции и режимов работы составляющих объекта или другой системы более высокого уровня.

Наглядный пример последствий отсутствия системного подхода на уровне объекта – решение проблемы отвода теплоизбытков из жилых домов.

С учетом роста энергопотребления и наблюдающегося роста температуры воздуха летом проблема отвода теплоизбытков из жилых помещений становится все более острой (даже при использовании самых совершенных сплит-систем). По-видимому, недалеко то время, когда летний период по энергопотреблению станет более напряженным, чем зимний.

При системном подходе к решению этой проблемы очевидным является такое решение проблемы (и оно уже применяется) – холодильное оборудование будет отводить теплоизбытки (вернее, накапливать холод впрок) не в раскаленный наружный воздух в самое напряженное по энергопотреблению время, а ночью в аккумулятор системы ГВС. При этом в результате такого решения появляется синергетический эффект – общее снижение энергопотребления здания. Но это потребует новых конструктивных решений как в СКВ, так и в конструкции здания.

Теплоснабжение

Аналогичным образом можно проследить попытки повысить энергоэффективность системы более высокого уровня – системы теплоснабжения.

В настоящее время наиболее совершенным методом централизованного теплоснабжения является теплофикация, отличительной чертой которой является производство тепловой и электрической энергии на базе теплового потребления без сброса тепла в окружающую среду. В России ТЭЦ, которые в теплофикационном режиме вырабатывают как тепловую, так и электрическую энергию, стали основой централизованного теплоснабжения. Предполагается, что доминирующая роль теплофикации в теплоснабжении будет сохраняться и в дальнейшем.

При этом основой системы теплоснабжения останется транспорт тепловой энергии по тепловым сетям посредством горячей воды. А это означает сохранение большинства недостатков существующей системы.

К этим недостаткам можно отнести проблемы, связанные с транспортировкой тепловой энергии – потери в тепловых сетях, затраты энергии на перекачку теплоносителя, сложность учета и регулирования, проблемы, связанные с водоподготовкой, и т.п. Многие элементы системы водяного теплоснабжения достаточно громоздки – ЦТП, тепловые сети, протяженность которых составляет сотни тысяч километров. По итогам экспертного опроса «Перспективы развития теплоэнергетики в России», проведенного в январе 2007 года, из 200 тыс. км коммунальных сетей России более половины уже исчерпало свой амортизационный срок. Изношенность этих сетей достигла 60–70%, а примерно 25–30% вообще в аварийном состоянии. Поэтому сегодня надо менять минимум 10–12% труб каждый год, а меняется всего около 1%. Реальные тепловые потери составляют от 20 до 50% выработки тепла.

Вместе с тем можно заметить, что тенденция роста электрического КПД ТЭЦ приводит к тому, что в некоторых случаях мощность тепловых отборов турбин уже не обеспечивает зимней тепловой нагрузки потребителей. При отсутствии системного подхода система теплоснабжения рассматривается независимо от системы энергоснабжения. Более того – система более высокого порядка – энергоснабжения подстраивается под систему более низкого порядка – теплоснабжения. При этом происходит усложнение элементов подсистем: применяются турбины с регулируемым отбором пара, усложняются и элементы системы теплоснабжения. Говоря языком ТРИЗ (теории решения изобретательских задач), система вступила в такую фазу своего развития, при которой накапливаются противоречия типа «чем больше вкладываешь в решение противоречия, тем острее и сложнее оно становится».

При рассмотрении этих систем в комплексе напрашивается такой путь решения проблемы дефицита тепловой мощности, как применение «избыточной» электроэнергии для теплоснабжения. При этом налицо синергизм такого решения – помимо упрощения системы и повышения ее энергоэффективности сократится потребность в таком материалоемком элементе системы, как тепловые сети, что снизит, в свою очередь, нагрузку на металлургическую промышленность, при этом сократится потребность в воде, появится возможность упростить конструкцию турбин и, следовательно, снизить их стоимость. (В настоящее время работа паровых турбин в теплофикационном режиме далека от оптимальной – в этом режиме, который является для нее основным ЦНД (цилиндр низкого давления) работает в вентиляционном режиме с отрицательным КПД). При этом отечественное энергомашиностроение сможет более высокими темпами ликвидировать моральный и физический износ энергетического обрудования и т.д.

Климатические изменения неуклонно ведут к повышению энергопотребления летом. Фото PhotoXPress.ru

Тормозы инноваций

Но реализация такого решения потребует значительных изменений в составляющих системы. А кроме того, отсутствие мотивации к повышению энергоэффективности теплоснабжения у организаций, обеспечивающих население теплом, также будет тормозить модернизацию систем энерго- и теплоснабжения. Пока прибыль этих организаций зависит от количества отпущенного тепла (не важно, куда ушло это тепло – через теплоизоляцию сетей в грунт или через форточки в атмосферу), стимула к энергосбережению не будет.

При этом наблюдается такая безрадостная картина, когда около 1/3 энергии топлива, сжигаемого в энергетических котлах ТЭЦ, генерирующей компанией выбрасывается в атмосферу, а дома обогреваются за счет котельных. При этом сотрудники генерирующих компаний, отвечающие за перспективное планирование, утверждают, что у них «все сбалансировано».

Как правило, каждое предприятие, каждая отрасль заинтересованы в увеличении выпуска своей продукции, частой смене моделей. Каждая последующая модель имеет более высокие технико-экономические характеристики, потребляет меньше энергии. Но если рассматривать эту тенденцию с точки зрения системы более высокого порядка, то эффект может быть и отрицательным.

При разработке программ повышения энергоэффективности необходим тщательный выбор направлений работы, поскольку не все они равнозначны. Так, например, трудоемкие работы по утеплению зданий дают заметный эффект лишь до определенного предела – дальше начинают преобладать вентиляционные потери. А при теплоснабжении от ТЭЦ и наличии невостребованной теплоты отборов турбин, как уже было сказано выше, эффект будет совсем незначительным.

При этом следует учесть, что производство теплоизолирующих материалов, используемых для утепления зданий, само по себе создает нагрузку на окружающую среду.

По-видимому, в первом приближении при решении задачи повышения энергоэффективности экономики страны необходимо выбрать наиболее энергоемкие отрасли народного хозяйства.

Несмотря на различие в цифрах, можно выделить следующие наиболее значимые потребители энергии: энергетика и в том числе теплоснабжение, металлургия и транспорт.

Другим критерием выбора приоритетных направлений работы по повышению энергоэффективности экономики должен быть мультипликативный и социальный эффект. Причем этот эффект будет проявляться не только в производственной сфере, но и в науке и в образовании.

Это будет способствовать развитию значимых в социально-экономическом плане наукоемких отраслей, что, безусловно, положительно повлияет на решение социально-экономических задач и на конкурентоспособность России на международных рынках.

Две группы программ

Программы повышения энергоэффективности по срокам их реализации можно разделить на две группы.

Во-первых, можно выделить такие направления работы, которые дают быстрый, но зачастую незначительный эффект (внедрение энергосберегающих ламп, насосов с ЧРП, применение труб с ППУ изоляцией и т.д.).

Эти мероприятия обычно не требуют больших инвестиций, срок окупаемости у них достаточно небольшой. Но они обычно не влияют на общий облик экономики, не обеспечивают ее перевод на инновационный путь развития.

Кроме того, эти мероприятия имеют существенный недостаток – при изменении условий, в которых они создавались, эти мероприятия снижают или вообще теряют свою эффективность. К таким изменениям можно отнести появление новых технологий, изменения климата и социально-экономических факторов. Отсюда и вытекает основное требование к мероприятиям такого плана – они должны иметь малый срок окупаемости.

Но можно выделить и другую категорию мероприятий. Они основаны на долгосрочных прогнозах развития науки и техники и предполагают значительные изменения в технологиях. При этом внедрение таких технологий, как правило, не обеспечивает быстрой отдачи от инвестиций, что делает их не вполне привлекательными для частного бизнеса (по крайней мере в условиях России). Но тем не менее именно эти технологии и определяют облик экономики, да и других сфер жизнедеятельности страны.

Во многих странах применение теплонасосных систем теплоснабжения является приоритетным. Ожидается, что к 2020 году около 75% теплоснабжения в развитых странах будет осуществляться за счет тепловых насосов.

Федеральное законодательство США при строительстве новых общественных зданий требует использовать геотермальные тепловые насосы для отопления. В Германии предусмотрена дотация государства на установку тепловых насосов, цена теплового насоса стала доступна большинству. В России же тепловые насосы используются ограниченно.

Огромное влияние на энергетику (и не только на энергетику) могут оказать нетрадиционные пути решения проблемы эффективности транспорта, новые способы передачи энергии, которые позволят сократить затраты энергии на транспортировку энергоресурсов (в настоящее время, по данным ЦЭНЭФ, топливо составляет около 40% перевозимых грузов по железной дороге и по трубопроводам и т.п.).

Хотя считается, что «энергетика – один из самых инерционных и инвестиционноемких секторов экономики, технологические циклы развития которого растянуты на десятилетия, и вероятность скорой реализации новых технологий невелика», но тем не менее программы повышения энергоэффективности страны следует составлять с оглядкой на перспективные разработки.

Сокращение выбросов теплоты

Если первые два требования к программам энергоэффективности можно отнести к общим требованиям, касающимся стратегического планирования, то сокращение выбросов тепла является чисто технической задачей. Причем на первый взгляд это требование может показаться тривиальным. Но в данном случае рассматриваются общие для различных производств методы, которые позволят провести унификацию энергосберегающего оборудования, что значительно снизит сроки окупаемости энергосберегающих проектов.

Таким образом, повсеместное внедрение утилизации низкопотенциальных вторичных энергоресурсов практически позволит отказаться от затрат энергоресурсов для целей теплоснабжения для зданий со значительными энергозатратами – механических, термических, гальванических и других цехов.

Вряд ли можно надеяться, что рыночные механизмы смогут решить проблему энергоэффективности.

Учитывая, что инновационные проекты характеризуются более высоким уровнем риска, связанным с большими сроками реализации и окупаемости крупномасштабных проектов, частным инвесторам такие проекты могут быть не привлекательны.

Общепринятой практикой в таких случаях во всех развитых странах является поддержка государства.