engineering_ru | Потери энергии и их снижение за счёт альтернативной энергетики и электромобилей

mikhai1-t.livejournal.com posting in

Оригинал взят у

plaksiva9tr9pka в Потери энергии и их снижение за счёт альтернативной энергетики и электромобилей

продолжение вот этой статьи

Напомним её вывод: углеводородной тройке ещё долго придётся оставаться основным поставщиком первичной энергии для человечества, т.к. даже если альтернативные источники энергии продолжат свою экспоненту, то им всё равно требуется очень много времени чтобы вырасти со своей сверхнизкой базы. А атом в силу сложностей строительства не способен сильно нарастить свою тоже небольшую долю.

Часть 6. Повышение эффективности энергобаланса. Общая ситуация.

Дело в том, что с первичной энергией не всё так просто, как описывалось в предыдущей статье. С одной стороны, добыча (производство) первичной энергии растёт, потребление растёт, и это судьба развития человечества на протяжении тысячелетий. С другой стороны, конечное использование энергии логично разделить на:

1.) энергию, потерянную в преобразованиях тепловых электростанций, двигателях внутреннего сгорания и т.п.

2.) полезную энергию, которая и совершает работу.

Т.е. если вы залили в бензобак автомобиля 10л бензина и КПД двигателя внутреннего сгорания 30%, то 7 литров добытой нефти и переработанной в бензин будет выкинуто на потери и только 3 литра будет потрачено на непосредственно движение автомобиля. Для всего энергобаланса это можно пронаблюдать на примере европы из этого комментария, где зелёным справа отмечена использованная энергия, а серым вверху справа потери при преобразованиях, т.е. неиспользованная энергия:

Как видно, доля потерь в энергобалансе европы достигает гигантских 62%.

Таким образом, может человечеству и не обязательно наращивать первичную энергию, а просто снизить огромные потери? Снижение потерь наполовину при неизменной первичной энергии позволит нарастить полезную энергию почти в два раза. Данная статья посвещена именно этому вопросу: насколько позволит снизить потребность в первичной энергии применение электромобилей и возобновляемых источников, гигантские тепловые потери которых в большинстве отсутствуют?

Потери очень отличаются по секторам. В индустриальном они мизерные, в жилом тоже ненамного больше, но с другой стороны, в транспортном секторе потери составляют 80% и в электрогенерации - 66%. Объяснение этому явлению кроется в термодинамике. Если вам нужно что-то нагреть, то вы можете получить 100%-ю эффективность (жилой и индустриальный сектора), но если же главное для вас это трансформация тепловой энергии в другую форму энергии, то воюйте с потерями, что и происходит в транспортном секторе и электрогенерации. Поэтому если вы хотите улучшить энергобаланс, то нужно справиться с тепловыми потерями электростанций и двигателя внутренного сгорания. В контексте этой статьи - перейти на возобновляемые источники энергии, которые этих потерь не имеют (вода, ветер, солнце) и на электромобили.

Часть 7. Электромобили

На возобновляемой энергетике (без гидро) мы подробно останавливались в предыдущей статье и здесь повторяться не будем. Перейдём к электромобилям.

Электромобили, это самая чёрная лошадка в нашей конюшне. На сегодняшний день невозможно предсказать развитие отрасли для 2039 года и для более ранних периодов. Любой прогноз будет чистым вангованием, но мы не ищем лёгких путей и попытаемся это сделать. Для этого давайте обратимся к немного более близкому будущему. Есть прогноз/программа действий от 2013 года, где IEA ставит цель электромобилям завоевать 2% автопарка до 2020 года.

Дорога к цели идёт через продажи. Ниже график продаж от IEA, необходимых для достижения цели. Мы дополнили чёрной линией с несколькими точками, которые отражают реальные продажи на 2012-2013 и краткосрочный прогноз на 2014:

2013 год был на 53% ниже чем нужно (242 тыс. вместо 520 тыс.), то же самое, судя по всему, будет и в 2014 (403 тыс вместо 860 тыс) и чует сердце, что и в 2015 динамика отставания не изменится. Такими темпами заветную цель в 2% удастся достигнуть во второй половине 2020-х, так что, надеемся, никто не обидется, если мы навангуем электромобилям 10% рынка в 2039?

Часть 8. Сверхоптимистичный сценарий.

Итак, как и когда упомянутые факторы (переход транспортного сектора на электротягу и электрогенерации на возобновляемые) смогут помочь человечеству с энергией? Чтобы вы не упирались в наше вангование, мы решили сделать несколько сценариев, чтобы каждый выбрал тот, что по душе. Честно говоря, нам самим интересно не ванговать, а получить представления в вопросе и количественно оценить изменения в мировом энергобалансе в при разных ситуациях. Ни на одном из сценариев не настаиваем и вообще они очень примерны, на какую-то особую точность не претендуют и преследуют только цель примерной оценки упомянутого эффекта. Мы разбили мировую первичную энергию, во-первых, на сектора и, во-вторых, на использованную и потерянную в преобразованиях, по аналогии с картинкой из части 6.

Применение электромобилей снижает потери в транспортном секторе, которые сейчас очень велики. Чем больше доля электромобилей - тем меньше будет сожрано преобразованиями ДВС. Чем больше генерация возобновляемой энергетики - тем меньше потерь на тепловых преобразованиях электростанций. При этом стоит отметить, что сам по себе переход на электрокары особо не сэкономит, т.к. просто переложит потери с ДВС на преобразования электростанций. Т.е. необходимо одновременно перейти на электрокары и нарастить долю возобновляемых источников, в которых отсутствуют потери при преобразованиях. Только в этом случае структура энергобаланса ощутимо изменится в сторону сокращения потерь. Поэтому в сценариях будем варьировать две величины - долю электрифицированного транспорта и генерацию возобновляемых источников энергии. Динамику потребностей остальных секторов возьмём из предыдущей статьи.

Сценариев будет три. Сверхоптимистичный, оптимистичный и консервативный. Первый менее вероятен, однако его следует разобрать, чтобы хотя бы в теории увидеть как действуют упомянутые нами факторы эффективности. Второй сценарий повторяет оптимистичный сценарий IEA (“МЭА”) по возобновляемым источникам энергии. Рост секторов основан на прогнозе потребления из предыдущей статьи.

В данном сверхоптимистичном сценарии ориентироваться неначто, разве только на оптимистичный сценарий IEA, в котором возобновляемые растут в среднем со скоростью 11,5% в год. В последние года рост составлял 15-20%, однако понятно, что чем дальше, тем расти будет сложнее, поэтому средний рост намного ниже. Итак, для сверхоптимизма возьмём 12,5% в год и к концу рассматриваемого периода возобновляемые без воды займут 10% от производства первичной энергии.

Долю электрификации транспорта положим в 40% к 2039.

При заданных условиях получится такая ситуация с первичной энергией, если её разбить на полезную и потери, как это было в схеме выше:

при заданной динамике электромобилей и возобновляемой энергетики существенное отклонение от текущего тренда в первичной энергии заметно только в конце 2020-х. Это означает, что до тех пор что-то ощутимо изменить в потреблении энергии не получится и углеводородная энергетическая тройка будет обязана держаться минимум до этих дат. Тем не менее, вклад снижения потерь к середине 2030-х существенен: без него на 2039-й приходится 19000 млн тонн. н.э. первичной энергии, с ним - 14000. Т.е. данный оптимистичный сценарий позволит сэкономить около трети первичной энергии, но очень, очень нескоро.

Также интересно представлять это по секторам, ведь в разных секторах разная ситуация с потерями и полезной. В разбивке:

Предложенный рост возобновляемых позволил значительно сократить потери в электроэнергетике, в то время как сценарий электрификации транспорта (40% к 2040) всё-таки слабоват - позволил стабилизировать потери транспортного сектора и лишь немного сократить. Оставшиеся 60% автомобилей всё равно тратят слишком большую кучу энергии впустую. Что интересно отметить, транспортный сектор требует в идеале совсем немного энергии (маленькая синяя полоска) и если человечество отойдёт от ДВС к электромобилям, то это позволит сэкономить кучу энергии. Причины такой особенности транспортного сектора пояснялись в этой статье: http://mirvn.livejournal.com/3923.html

Транспортный сектор не плавит сталь и не химичит в промышленности, а лишь перемещается в горизонтальной плоскости, что, в теории, требует очень небольших энергетических затрат.

Часть 9. Оптимистичный сценарий

Однако это был сверхоптимистичный сценарий. Сложно сказать, насколько он реален. Чтобы статья имела хоть какое-то отношение к реальности, стоит взять сценарий “450 scenario” от IEA по возобновляемым источникам (из WEO2012). По версии IEA это лучшее, что может случиться с ними.

Используя оптимистичный прогноз IEA по возобновляемым (который хуже чем сценарий-1) и долю электромобилей в 20% получим примерно такую динамику:

В разбивке:

Видно, что даже такой оптимистичный сценарий не способен как-то сильно повлиять на первичную энергию. Консервативный сценарий строить не будем, потому что становится боязно за человечество и первичная энергия улетает куда-то вверх - график просто не покажет исследуемых эффектов.

Итог.

Выводы довольно просты: влияние эффективности на мировой энергобаланс в следствие роста электрогенерации воды, ветра и солнца становится заметным эффектом очень нескоро, так как несмотря на свой бурный рост два последних начинают с очень низкой базы и электричество всё-таки является лишь частью энергобаланса. Означает это по-прежнему выводы из предыдущей статьи: углеводородам ещё долго придётся обеспечивать человечество энергией. Однако эффект интересен и заслуживает внимания.

Что стоит заметить.

В комментариях к предыдущей статье звучали возгласы, что велика роль энергоэффективности конкретного применения (в ДВС, освещении и т.п.), которую мы не учли и если в 20-м веке ей уделялось мало внимания, то в 21-м веке это “очень значимый тренд”.

Стоит прояснить этот вопрос. Во-первых, непонятно почему не учли - исторические данные, с которыми мы работали и на основе которых была сделана часть выводов, уже содержат энергоэффективность, имевшую место. Конечно, вполне возможно ускорение энергоэффективности в будущем, но вместо слов стоит обратиться к реальным данным по потреблению первичной энергии за последние 50 лет, особенно к 21-му веку, где “энергоэффективность очень значимый тренд”:

Судя по постоянному росту и тем более ускоренному в 21-м веке, рост потребления многократно перекрывает все потуги человечества в энергоэффективности. Т.е. внутри энергобаланса она где-то есть и занимает весомое место, но в итоге её незаметно. Мы не относимся к консерваторам, которые считают энергоэффективность “продажной девкой империализма” и о месте энергоэффективности в промышленности писалось тут: http://mirvn.livejournal.com/7698.html или тут: http://mirvn.livejournal.com/10562.html, но в итоге она не заметна в мировом потреблении энергии.

Несмотря на кучу пессимизма, не стоит опускать руки, а лучше вспомнить поговорку: “Самое лучшее время посадить дерево - 20 лет назад. Следующее удачное время для посадки - сегодня”. Как часто бывает у человечества, всё пессимистично и светлое будущее лишь где-то за горизонтом, однако браться за дело стоит уже сейчас.

Flat | Top-Level Comments Only

From:

feanture.livejournal.com

Начиная с отсутствия потерь возобновляемых источников, читал через абзац.

КПД солнечных батарей достигает (оптимистично, но реалистично), скажем, 20%. Почему тепловые потери традиционных источников учитываются, а потери преобразования не учитываются?

КПД ТЭЦ, насколько я помню, порядка 80%.

Не учтена необходимость создания, фактически, новых электрических сетей под возобновляемые источники (научной, инженерной и строительной работы).

Не учтены очевидно резко возрастающие потери на передаче электроэнергии туда-сюда в этих несуществующих и даже не разработанных в теории электрических сетях.

Ну и непонятно, как в наших краях солнечные батареи будут что-то вырабатывать под слоем снега и грязи шесть месяцев в году минимум.

From:

denis-anisimov.livejournal.com

Имхо в России лучше смотреть в сторону ветряков, дров (пеллет и т.п.), приливных, ГеоТЭС, в большей части страны. А солнечные батареи в Краснодаре и Крыму очень даже пойдут)

From:

feanture.livejournal.com

Солнечные батареи просто-таки незаменимы там, где нет ЕЭС, а от включения их в систему пользы не так много. Солнечные электростанции приличной мощности стоят просто космических денег, сложны в обслуживании и создают проблемы с балансом. Я бы не хотел, чтобы их строили даже в наших теплых краях. Лучше уж заводик по производству современных панелей солнечных батарей для электрификации автономных домиков, туристов и т.д.
Ветряки очень противный источник - трудности с прогнозированием и неустойчивость.
Все остальное, конечно, надо развивать по возможности.

From:

deniz22.livejournal.com

Неустойчивость-????
Прогнозирование ветра , в масштабах континента, давно не трудность.
Единственная проблема-пропускная способность сетей. Сейчас , хоть и не быстро, но в ЕС решается.

Потери энергии и их снижение за счёт альтернативной энергетики и электромобилей

Page Summary

Style Credit

Expand Cut Tags