автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Совершенствование методов оценки термодинамической эффективности и эмиссии парниковых газов энергетического комплекса железнодорожного транспорта

На правах рукописи

005001889

БОРОВКОВ ЮРИЙ НИКОЛАЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ И ЭМИССИИ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Специальность 05.14.01 - Энергетические системы и комплексы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 НОЯ 2011

Москва

-2011

005001889

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» (МИИТ),

Научный руководитель -

доктор технических наук, проф. В. Г. Попов

Официальные оппоненты -

доктор технических наук, проф. В.М. Лебедев кандидат технических наук, доц. И.В. Агафонова

Ведущая организация -

Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» (ОАО «ВНИИЖТ»)

Защита диссертации состоится 8 декабря 2011 г. в 15 часов 00 минут в ауд. 2516 на заседании диссертационного совета Д 218.005.08 при ФГБ ОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения» (МИИТ) по адресу: 127994 Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИИТа.

Автореферат разослан <щ.» ноября 2011 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 218.005.08.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 218.005.08, доктор технических наук, профессор

Ю.П. Сидоров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

Вопрос эффективности использования энергии является чрезвычайно важным, поскольку напрямую связан с проблемами энерго - и ресурсосбережения, а также с загрязнением окружающей среды.

В настоящее время на долю железнодорожного транспорта приходится 80% грузооборота и 40 % пассажирооборота транспорта общего пользования РФ. Железнодорожный транспорт является одним из крупнейших потребителей топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) в России, потребляющим в год около 25 млн. т.у.т. различных видов ТЭР: электроэнергии, дизельного топлива, угля, торфа, горючих сланцев, мазута, природного газа, бензина.

Кроме обеспечения выполнения перевозочного процесса, являющегося основным направлением потребления ТЭР, железнодорожный транспорт расходует энергоресурсы на содержание инфраструктуры, ремонтное производство и социальные нужды работников отрасли.

Нормальное функционирование железнодорожного транспорта обеспечивается энергетическим комплексом железнодорожного транспорта -взаимосвязанной совокупностью топливопотребляющих и энергоиспользующих установок железнодорожного транспорта, а также вспомогательных систем, требующих значительного потребления ТЭР, и, как следствие, приводящих к загрязнению окружающей среды.

Обеспечение энергетической эффективности и экологической безопасности железнодорожного транспорта является одним из важнейших стратегических направлений развития отрасли, ориентированным на уменьшение объемов потребления энергоресурсов и сокращение расходов на их приобретение, а также снижение нагрузки на окружающую среду.

Учитывая важность работ в этом направлении, в последние несколько лет был принят ряд нормативных документов, определяющих политику в этих областях: федеральный закон РФ №261-ФЗ от 23 ноября 2009 г. «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности»; «Стратегические направления научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» («Белая книга ОАО «РЖД»), «Энергетическая стратегия ОАО «РЖД» на период до 2010 и на перспективу до 2020 г.», «Экологическая стратегия ОАО «РЖД» на период до 2015 и на перспективу до 2030 г.».

Особенностями энергетического комплекса железнодорожного транспорта являются: многообразие и большое число видов, сложность взаимосвязей образующих его топливопотребляющих и энергоиспользующих установок; использование практически всех известных видов ТЭР.

Данные особенности энергетического комплекса железнодорожного транспорта при исследовании вопроса его энергетической и экологической эффективности приводят к необходимости применения макроскопического уровня описания процессов использования и преобразования энергии в нем. При таком подходе энергетический комплекс железнодорожного транспорта в настоящей работе рассматривается как открытая термодинамическая система, декомпозиция которой на базовые элементы осуществляется до уровня структурных подразделений (железных дорог и функциональных филиалов ОАО «РЖД»), а энергетические потоки подразделяются по видам их использования: на тяговые и на нетяговые нужды.

Качественное разнообразие входных и выходных энергетических и материальных потоков для данной открытой термодинамической системы обуславливает целесообразность использования эксергетического метода термодинамического анализа, рассматривающего термодинамические системы во взаимодействии с окружающей их средой и базирующегося на понятии «качества», практической ценности различных видов энергии и их преобразований в соответствии со Вторым законом термодинамики.

Предлагаемый подход позволяет рассматривать вопросы эффективности использования энергии на железнодорожном транспорте комплексно, охватывая вопросы энергоэффективности, охраны окружающей среды и устойчивого развития.

Автором лично выполнен значительный объем работ по совершенствованию методов оценки термодинамической и экологической эффективности энергетического комплекса железнодорожного транспорта, использования энергии и расчета связанной с этим эмиссии парниковых газов. Автором обработан большой объем статистической информации, проведены соответствующие расчеты и проанализированы полученные результаты.

Цель и задачи работы

Целью настоящей диссертационной работы является оценка энергоэкологической эффективности энергетического комплекса железнодорожного транспорта с использованием эксергетического метода.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи:

- обоснована целесообразность применения эксергетического метода термодинамического анализа для исследования и оценки термодинамической и экологической эффективности энергетического комплекса железнодорожного транспорта;

- получена диаграмма потоков эксергии энергетического комплекса железнодорожного транспорта на основе его функциональной структуры и состава топливно-энергетического баланса;

- проведено сравнение показателей термодинамической эффективности автономной (тепловозной) и электрической тяги;

- предложена методика расчета эмиссии парниковых газов на железнодорожном транспорте, позволяющая производить расчет на основе данных о потреблении ТЭР;

- выполнена оценка эмиссии парниковых газов (прямых и косвенных энергетических) энергетическим комплексом железнодорожного транспорта за период с 2003 г. по 2008 г.

- произведена оценка эксергии выбросов в атмосферу энергетического комплекса железнодорожного транспорта в виде суммы термической, химической и концентрационной составляющих.

Методы исследований

Решение поставленных задач осуществляется на основе методологии системного анализа и эксергетического метода термодинамического анализа. Использование данного подхода обусловлено его значительной универсальностью и возможностью преодоления методологических проблем при необходимости учета в единой системе качественно различных видов энергии.

Достоверность научных положений и результатов подтверждается: - использованием фактических статистических данных по потреблению топливно-энергетических ресурсов на железнодорожном транспорте;

применением системного подхода и эксергетического метода термодинамического анализа для исследования энергетического комплекса железнодорожного транспорта как открытой термодинамической системы.

Погрешность полученных результатов в основном определяется точностью исходных данных, а также зависит от точности принимаемых значений эксергетических КПД для базовых- элементов термодинамической системы и коэффициентов эмиссии парниковых газов. Общая погрешность получаемых в работе результатов по порядку величины находится в диапазоне ±15%.

Научная новизна

- На основе системного подхода и эксергетического метода получена диаграмма потоков эксергии энергетического комплекса железнодорожного транспорта;

- предложена универсальная методика оценки эмиссии парниковых газов энергетического комплекса железнодорожного транспорта, и получены значения годовых выбросов парниковых газов (прямых и косвенных энергетических);

- произведена оценка эксергии выбросов энергетического комплекса железнодорожного транспорта.

Практическая значимость

Практическая значимость настоящей работы состоит в следующем:

- представленная в работе диаграмма потоков эксергии в энергетическом комплексе железнодорожного транспорта позволяет осуществлять ранжирование энергосберегающих мероприятий по степени их потенциального влияния на общую эффективность системы, вырабатывать рекомендации по оптимизации структуры топливно-энергетического баланса и последующего использования ТЭР;

- получены количественные зависимости, которые позволяют оценивать эффективность использования энергии и потенциал возможного сокращения энергопотребления как по всему энергетическому комплексу железнодорожного транспорта в целом, так и по отдельным его элементам. Так, рассчитанное по данным за 2008 г. значение эксергетического коэффициента полезного действия (эксергетического КПД) энергетического комплекса железнодорожного транспорта составило 33,4%. Величина потенциала сокращения энергопотребления на 2008 г. (по эксергии) относительно имеющихся образцов «наилучших доступных технологий» была оценена в 6,5% от общего количества эксергии на входе в систему, или в абсолютном выражении - 1586 тыс. т у.т.;

- определенные в работе показатели (как абсолютные (валовые), так и удельные (приведенные)) являются универсальными индикаторами термодинамической и экологической эффективности как всего энергетического комплекса железнодорожного транспорта в целом, так и отдельных его элементов. Эти индикаторы могут дополнять и уточнять используемые в настоящее время показатели энергетической и экологической эффективности. Динамика удельных показателей говорит о положительной тенденции в повышении эффективности использования энергии и снижении сопряженного с ним негативного воздействия на окружающую среду. Так, например, удельный показатель потребления первичной эксергии на единицу перевозочной работы за период 2003 -

б

2008 гг. снизился на 12%, а показатель удельной эмиссии парниковых газов-на 16%;

- методика оценки эмиссии парниковых газов позволяет прогнозировать экологические последствия мероприятий по энергосбережению и получать результаты, необходимые для внедрения корпоративной системы управления парниковыми газами железнодорожного транспорта, для возможного участия в механизмах Киотского протокола, в частности, может быть использована для методического сопровождения проектов совместного осуществления (ПСО) и ведения отчетности по парниковым газам.

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научных конференциях:

• VII Международной научно-практической конференции «Научный прогресс на рубеже тысячелетий-2011»(г. Прага, Чехия);

• VII Международной научной студенческой конференции «TRANS-MECH-ART-CHEM» - 2010 г. (Москва);

• VI Международной научной студенческой конференции «TRANS-MECH-ART-CHEM» - 2009 г. (г. Радом (Польша));

• Девятой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» (Москва, 2008 г.);

• Межвузовском научно-практическом семинаре-конкурсе студентов, аспирантов и молодых ученых Московского региона «Экология и рациональное природопользование Московского региона» (Москва, 2007 г.).

Реализация результатов работы

Ряд полученных автором результатов и научных рекомендаций нашел свое отражение в работах:

- «Расчет эмиссии парниковых газов на железнодорожном транспорте с 2003 по 2008 гг.» (Тема НИР ОАО «РЖД» №270, Функциональный заказчик -Управление охраны труда, промышленной безопасности и экологического контроля) (2009 г.);

«Внедрение Системы экологического менеджмента (СЭМ), соответствующее стандарту ГОСТ Р ИСО 14001:2004 в локомотивном депо Ярославль Главный Ярославского отделения Северной железной дороги» (Тема

НИР ОАО «РЖД» №583, Функциональный заказчик - Управление охраны труда, промышленной безопасности и экологического контроля) (2008 г.).

- «Оценка эмиссии парниковых газов на железнодорожном транспорте» (Тема НИР ОАО «РЖД» № 704, Функциональный заказчик - Управление охраны труда, промышленной безопасности и экологического контроля) (2008

г.);

Методика оценки эмиссии парниковых газов применялась Управлением охраны труда, промышленной безопасности и экологического контроля ОАО «РЖД» при подготовке аналитических материалов по выбросам парниковых газов в ОАО «РЖД» и перспективам реализации процедур Киотского протокола.

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в курсе «Техногенное воздействие железнодорожного транспорта на окружающую среду» для студентов специальности «Инженерная защита окружающей среды» и в курсе «Экология» для студентов специальностей «Сервис на транспорте», «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование», «Управление процессом перевозок».

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 работ (из них одна статья - в издании, рекомендованном ВАК Министерства образования и науки России).

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и двух приложений. Библиографический список включает 85 наименований, общий объем работы составляет 178 страниц машинописного текста, включая 40 таблиц и 51 рисунок.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введение обоснована актуальность темы, определены цель и научная новизна исследования, представлены практическая значимость результатов и личный вклад автора.

В первой главе приведен краткий обзор существующих подходов к оценке эффективности энергетических систем и комплексов и описан в качестве перспективного метода используемый в настоящей работе эксергетический метод термодинамического анализа.

В качестве объекта исследования в данной работе выступает энергетический комплекс железнодорожного транспорта, который является открытой термодинамической системой и характеризуется значительной разнородностью как используемых видов топливно-энергетических ресурсов (ТЭР), так и функциональным назначением входящих в его состав элементов. С учетом этого фактора для исследования энерго - экологической эффективности данного энергетического комплекса предлагается использование эксергетического метода термодинамического анализа. Приводится краткое изложение теоретических основ данного метода и обоснование целесообразности его применения для исследования данной системы.

Большой вклад в развитие этого метода и значительное расширение сферы его применения внесли российские и зарубежные ученые: 3. Рант, П. Грассман, К. Нессельман, Я. Шаргут, А.И. Андрющенко, В.М. Бродянский, Д.П. Гохштейн, Е.И. Янтовский, И.Л. Лейтес, М.М. Хазен, Г. Уолл и др.

Базовым понятием этого метода является понятие эксергии -термодинамической функции, определяемой выражением:

£ = 5(Г-Г0) + К(р-р0) + £п,(^-//(,) , (1)

где Е- величина эксергии, [Дж];

5- энтропия системы, [Дж/К];

Т и То - температура системы и окружающей среды соответственно, [К];

V-объем системы, [м3];

рнро- давление в системе и в окружающей среде соответственно, [Па];

я,- количество молей /'-го вещества;

и цо - химические потенциалы 1-го вещества - компонента системы и

окружающей среды (среды отсчета) соответственно, [Дж/моль].

Глубокий смысл понятия «эксергия» вытекает из эквивалентности убывания эксергии и возрастания энтропии в изолированной системе. Рост энтропии и убывание эксергии неизбежны в силу Второго закона термодинамики. В отличие от энергии эксергия означает способность

9

действительно производить работу в реальных условиях окружающей среды. В обычной повседневной практике слова «энергосбережение, экономия энергии» на самом деле означают экономию эксергии.

Как видно из формулы (1), эксергия является мерой отклонения параметров состояния термодинамической системы от условий окружающей среды, являясь, таким образом, возможным путем измерения эффектов, которые могут влиять на окружающую среду.

В первой главе также описаны основные области применения эксергетического метода и приведены конкретные примеры со ссылками на работы как отечественных, так и зарубежных авторов, в частности, применяющих эксергетический метод для исследования эффективности использования энергии в транспортных системах.

Принципиальная схема, иллюстрирующая изменение потока эксергии при его прохождении через энергопреобразующую систему, приведена на рисунке 1.

Висом м упорядоченность, »НТО О ПН« Л —> О

»нс«ргмяи«дом '

(а черта носите пи, см«*)_

СИСПММПРОЦКС)

>ИС.Р1ЧТИЧ«СКИЙ

Эксортл но

Им»»« упорядоченность, •нтролиа

5 ->• шах

ЛЬ'

!>ет«ри мсаргми • систем* (вроц<к«*)

> (Г0д&'>

Рисунок 1 - Изменение потока эксергии при прохождении через энергопреобразующую систему

Общая запись эксергетического баланса системы может быть записана как:

= , (2) где Евых - эксергия целевого выхода системы; Еы- эксергия входа системы; Аг«и«. - внешние потери эксергии в системе;

д5 - изменение энтропии потока в конечном и начальном состоянии; Г0 - абсолютная температура окружающей среды (среды отсчета), К. К основным интегральным параметрам термодинамических систем относят размерные и безразмерные характеристики термодинамической системы. К первым относят:

ю

- £„- эксергетический вход термодинамической системы;

- ешш - эксергетический выход термодинамической системы - сумма всех потоков эксергии, которые далее где-либо используются в любой форме;

- ЕВ - потери, определяемые для стационарных термодинамических систем термодинамической разностью эксергетических входа и выхода.

Используя системный подход к анализу энергетического комплекса железнодорожного транспорта, и рассматривая его на макроуровне как открытую термодинамическую систему, с учетом вышеизложенных положений, составим схему потоков эксергии.

Во второй главе для энергетического комплекса железнодорожного транспорта как открытой термодинамической системы представлена схема потоков эксергии в этом комплексе на основе данных о его организационной и функциональной структуре и топливно-энергетическом балансе.

На вход системы поступают потоки эксергии, представленные различными видами топливно-энергетических ресурсов (ТЭР): электроэнергии, дизельного топлива, тепловой энергии, бензина, котельно-печного топлива (уголь, газ, мазут, торф, горючие сланцы). Основным энергоносителем для нужд железнодорожного транспорта является электроэнергия (43% от эксергетического входа), дизельное топливо составляет около 32%, уголь и мазут, соответственно, 12 и 6%.

Таким образом, эксергетический вход рассматриваемой системы можно представить следующим образом:

ЕЪ =!£, = !>,-о,> (3)

1-1 ¡"1

где Е^ - суммарный поток эксергии, входящей в систему со всеми видами используемых ТЭР;

Е- поток эксергии, входящий в систему с /'-м видом ТЭР;

е,- удельная эксергия ТЭР, приведенная к единице натурного (тонна, м3, кВт-ч) или замещающего его условного показателя (т у.т);

С, - объем используемого ТЭР, выраженный в единицах, соответствующих по размерности значению е,.

В общем случае можно представить значение суммарного входящего потока эксергии Ев виде суммы трех величин:

гХ __ г*тжя , гЭ , гтм /¿Л

где Е™'™ - поток эксергии, входящий в систему со всеми топливными видами ТЭР (ископаемое органическое топливо);

Евх - поток зксергии, входящей в систему в виде электроэнергии, поступающей от внешних генерирующих мощностей;

ЕЦЦ"- поток эксергии, входящей в систему в виде теплоэнергии с теплоносителями, поступающими от внешних генерирующих мощностей (в связи с отсутствием необходимых данных в настоящей работе не рассматривается).

На основании данных о видах потребителей ТЭР и структуре энергетического комплекса железнодорожного транспорта получена принципиальная схема распределения потоков эксергии внутри энергетического комплекса железнодорожного транспорта (рисунок 2):

Рисунок 2 - Принципиальная схема распределения потоков эксергии внутри энергетического комплекса железнодорожного транспорта

Поскольку непосредственная оценка целевых выходов рассматриваемой системы сопряжена с существенными методологическими затруднениями и недостатком исходных данных, для перехода к анализу детализированной схемы потоков эксергии в рассматриваемом комплексе необходимо оценить эксергетические КПД основных элементов, представленных на рисунке 2.

В третьей главе исследуется термодинамическая эффективность энергетического комплекса железнодорожного транспорта в соответствии с принимаемой схемой (рисунок 2).

Оценивается термодинамическая эффективность перевозочного процесса - основного направления потребления ТЭР на железнодорожном транспорте, а также эксплуатационных (нетяговых) потребителей.

С точки зрения энергетических преобразований «процесс перевозок» представляет собой преобразование различных видов энергии, используемых железнодорожным транспортом, в механическую работу по перемещению подвижного состава.

Для процесса перевозок на железнодорожном транспорте эксергия на входе представлена химической эксергией топлива и электрической энергией, целевой выход - полезной механической работой по перемещению грузов и пассажиров.

Таким образом, вход процесса (системы) складывается из потоков эксергии в виде различных энергоносителей (электроэнергии, дизельного топлива), потребляемых тяговым подвижным составом (электровозами и тепловозами).

Выход рассматриваемого процесса (системы) представлен механической работой по перемещению в пространстве грузов и пассажиров, перевозимых подвижным составом, совершаемой против сил сопротивления движению (основного и дополнительного). В этом случае значения эксергии и энергии эквивалентны. В дальнейших расчетах было принято допущение об эквивалентности работы силы тяги и работы сил сопротивления движению.

Убывание потока первичной эксергии в автономной (тепловозной) и электрической тяге представлено на рисунках 3,4.

е.,

Е топл - химическая эксерпы топлива: Е возд- эксергия подаваемого воздуха

(механическая и термическая эксергия)

100%

Дизель (рабочие шспшдры)

Эксергети-

ческнй КПД-0,43

Эффективная

10ШН0СГ1 на валу дизеля

Передача тепловога (электрическая)

Электро- Тяговый

энергия электро-

для ТЯГОВОГО двига-

электро- тель

двигателя -----

Работа на ободе колеса

43%

36%

32%

Рисунок 3 - Убывание потока эксергии в автономной (тепловозной) тяге

Эксергия ня входе прктрлтннин (орглннческое или ядерное топливо, □отеюшальнвя .п-сергггя волы")

Средневзвешешгый КПД генератш электроэнергии

"0,415 |_ ])т> = 0.96

тэс

КПД =37% Доля а =66.5 °.ь к =0.93

Гг-У 1

КПД )]с ~ 90° о Доля с/'= 17.7*1 П(н =0.997

[ АЭС

КПД /Д. -30% Доля а =15,848

Ч с - -0.94

Контактная

сеть, токосъем

Ж

Электровоз

Ж-

Полезная работа на ободе колеса

Рисунок 4 - Убывание потока эксергии в электрической тяге

Таким образом, получаемые значения эксергетического КПД электрической тяги с учетом полного цикла энергетических преобразований составляют: =0,346 или 34,6% - для постоянного тока; 77;'^" =0,347 или 34,7% - для переменного тока.

Также были вычислены показатели удельного расхода эксергии на единицу приведенной перевозочной работы по видам тяги.

В таблице 1 приведены показатели удельного потребления эксергии за 2008 г.

Таблица 1 - Удельные показатели потребления эксергии на единицу приведенной перевозочной работы в 2008 г.

Показатель, размерность Значение

Удельное потребление эксергии, МДж/104 т-км прив. 1180,79

Удельное потребление первичной эксергии, МДж/104 т-км прив. 3149,96

Удельное потребление первичной эксергии (только в тяге), МДж/104т-км прив. 1930,93

- в электрической тяге, МДж/10 тыс. т-км прив. 1761,77

- в тепловозной тяге, МДж/10 тыс. т-км прив. 4036,83

Также в данной главе приводятся значения коэффициентов преобразования эксергии для автономной и электрической тяги.

Например, значение коэффициента преобразования эксергии показывает, что потеря 1 Дж эксергии в тяговом электродвигателе тепловоза приводит к суммарным потерям в системе примерно в 1,36 раза большим (тем самым, обходится примерно в 1,36 раза дороже), чем аналогичная потеря эксергии в дизеле. С этой точки зрения уменьшение потерь эксергии особенно важно на заключительных стадиях процесса.

Представленные в этой главе результаты позволяют непосредственно сравнивать эффективность автономной и электрической тяги, не прибегая к каким-либо условным показателям.

При этом нужно отметить, что оптимизация исключительно по термодинамическим показателям является ограниченной, поскольку не учитывает экономическую и технологическую стороны вопроса. Поэтому в реальности для оптимизации энергетических систем и отдельных их элементов используются комбинированные подходы, в частности, термоэкономический

(эксергоэкономический) подход, в котором затраты относятся не к энергетическим показателям, а к эксергии.

Полученная схема потоков эксергии в энергетическом комплексе железнодорожного транспорта представлена на рисунке 5. На нем черным цветом отмечена доля потока эксергии, приходящегося на органическое топливо, серым - на электроэнергию.

Использованные условные обозначения:

Е~ и - эксергетический вход системы (эксергия на входе) и целевой эксергетический выход (эксергия на выходе) системы;

Е*д - эксергия, используемая потребителями в составе железных дорог -филиалов ОАО «РЖД»;

ЕдЦр~ входящий поток эксергии, поступающий к потребителям (утилизаторам эксергии) в составе функциональных филиалов (дирекций);

¡¡жяалп- похок эксергии, поступающий к тяговым потребителям в составе железных дорог (определяется через расходование ТЭР на тяговые нужды);

ежд(нетяп_ поток эксергии, поступающий к нетяговым потребителям в составе железных дорог;

1,,п> Ч.эг> VЧе.дир- осредненные значения эксергетических КПД тепловозной тяги, электрической тяги, нетяговых потребителей (в составе железных дорог) и потребителей в составе Дирекций соответственно;

°п1. ' ' ' ' ~ суммарные потери эксергии для

тепловозной тяги, электрической тяги, нетяговых потребителей (в составе железных дорог), потребителей в составе Дирекций и для всего энергетического комплекса железнодорожного транспорта соответственно.

Рисунок 5 - Схема потоков эксергии в энергетическом комплексе железнодорожного транспорта (по данным за 2008 г.)

Как видно из полученных результатов, на долю электроэнергии приходится около 40%, а на долю топливных ТЭР приходится около 60 % эксергетического входа системы. При этом отмечается тенденция по увеличению доли электроэнергии в структуре эксергетического входа с 31% в 2003 г. до 43% в 2008 г. В то же время, структура использования первичной эксергии, учитывающей предварительные стадии генерации используемой электроэнергии, показывает, что при таком рассмотрении доля первичной эксергии, затраченной на получение и последующее использование электроэнергии, составляет уже порядка 65% с увеличением в 2007-08 гг. до 70%, в то время как на долю топливных ТЭР в структуре использования первичной эксергии приходятся оставшиеся 30-35%.

Исследование структуры использования эксергии в энергетическом комплексе железнодорожного транспорта показало, что основным направлением ее использования является тяга поездов: в рассматриваемом временном интервале (2003-2008 гг.) доля использования эксергии в тяге (в % от эксергетического входа системы) колебалась возле отметки в 60%, а в 2008 г. повысилась до значения 68%, что отчасти обусловлено сокращением эксплуатационных расходов за счет экономии ТЭР, отчасти - выходом отдельных предприятий из структуры ОАО «РЖД» и, как следствие, вывода их из годовой корпоративной отчетности по потреблению ТЭР, а также за счет увеличения тягового потребления ТЭР, связанного с ростом объемов перевозочной работы. В структуре потребления первичной эксергии доля тягового потребления составляла 62-65%, а в 2008 г. увеличилась до 69%.

С точки зрения влияния эффективности отдельных элементов на общую эффективность системы в соответствии с представленной выше схемой (рисунок 7) общая термодинамическая эффективность энергетического комплекса железнодорожного транспорта (на 2008 г.) может быть записана как:

пТ- = 0,365 • п..эг + 0,314 ■ ц.п + 0,245 • + 0,076 • , (5)

что наглядно подтверждает приоритетность повышения эффективности использования энергии в перевозочном процессе (тяге поездов).

Так, например, повышение эксергетического КПД электрической и тепловозной тяги на 1% повысит общую термодинамическую эффективность системы на 0,7%; аналогичное повышение эксергетических КПД в нетяговой энергетике увеличит общую эффективность системы лишь на 0,3%.

Относительная эффективность сокращения потерь эксергии в каждом из звеньев энергетических преобразований для систем с последовательным

расположением элементов без промежуточных отводов и подводов эксергии будет возрастать по мере удаления от начала цепочки. Таким образом, для энергетического комплекса железнодорожного транспорта наиболее значимыми являются организационно-технические мероприятия по повышению эффективности использования эксергии тяговым подвижным составом.

В четвертой главе рассматриваются теоретические основы применения эксергетического метода для оценки негативного воздействия технических систем на окружающую среду, и выполняется расчет выбросов парниковых газов и эксергии выбросов энергетического комплекса железнодорожного транспорта.

Эксергия как особый термодинамический потенциал может быть использована для оценки угрозы окружающей природной среде, поскольку определяет работу, которая будет совершена в локальной окружающей среде. Очевидно, чем меньше внешние потери эксергии - потоки эксергии, направленные через контрольную поверхность в окружающую среду (в виде химических веществ, потоков теплоты, физических полей различной природы) -тем меньше степень негативного воздействия на окружающую среду.

Особое внимание в настоящей работе уделено оценке выбросов (эмиссии) парниковых газов. Структура источников эмиссии парниковых газов на железнодорожном транспорте представлена на рисунке 8.

Рисунок 8 - Структура источников эмиссии парниковых газов на железнодорожном транспорте

Расчет прямой эмиссии парниковых газов (выражаемой в тоннах С02-экв.) от сжигания органического топлива как для стационарных, так и для передвижных источников производится, согласно рекомендациям МГЭИК, следующим образом:

N М

С„г=Е ^^туКэе КЭ,уПГП ,), (6)

где Опг- количество образующихся при сжигании топлива парниковых газов, [т С02-экв.];

вг,- количество израсходованного органического топлива ¡-го вида, [тыс. т у.т.];

кж - коэффициент пересчета условного топлива в энергетические единицы; КЭЕ =29,3 [ТДж/тыс. т у.т.];

Щ,Г коэффициент эмиссии _]'-го парникового газа при сжигании ¡-го вида органического топлива, [т/ТДж];

ЯГ/7 j-потенциал глобального потепления j-го парникового газа (Я/77 со/=1; Г1ГП сн4=2\; ЛГП Ю0=Ш).

На основе данных о потреблении основных видов ТЭР с использованием предлагаемой методики был выполнен расчет годовой эмиссии парниковых газов энергетического комплекса железнодорожного транспорта за период 2003 - 2008 гг. Структура годовой эмиссии парниковых газов энергетического комплекса железнодорожного транспорта за 2008 год приведена на рисунке 9. Черным цветом отмечена прямая эмиссия от сжигания топлива, серым цветом -косвенная энергетическая эмиссия от использования привлекаемой со стороны электроэнергии.

, ЖП < НВТЯГ > т пг

гд%

Рисунок 9 - Структура годовой эмиссии парниковых газов энергетического комплекса железнодорожного транспорта (2008 г.)

Как видно из представленного рисунка, структура эмиссии парниковых газов энергетического комплекса железнодорожного транспорта близка к структуре потребления эксергии. При этом необходимо отметить, что основным источником эмиссии парниковых газов является тяговый подвижной состав 0жд(тяп_ 58%, при этом на долю прямой эмиссии парниковых газов от автономного подвижного состава приходится 30% от суммарной годовой эмиссии, а косвенная энергетическая эмиссия, связанная с привлечением электроэнергии от сторонних организаций, составляет 38%. Изменение этого

соотношения в пользу косвенной энергетической эмиссии связано с ростом объемов перевозочной работы в электрической тяге.

Помимо валовых показателей выбросов парниковых газов большое значение имеют удельные показатели:

- Ёпр - удельный выброс парниковых газов на единицу перевозочной работы;

- gтэ - показатель интенсивности прямой эмиссии парниковых газов. Изменение удельного выброса парниковых газов на единицу приведенной

перевозочной работы в относительных величинах (за 100% принят показатель 2003 г.) приведено на рисунке:

110.00 .

70.00 ;

60.00

50.00

2003 20 04 ¿OOS .700 Ь 3007 2008 :

I

Рисунок 10 - Относительное изменение удельного выброса парниковых газов на единицу приведенной перевозочной работы в 2003 - 2008 гг.

Тенденция по снижению «углеродной интенсивности» перевозочного процесса и всего энергетического комплекса железнодорожного транспорта в целом обусловлена как общим повышением его энергетической эффективности, отражаемой удельными расходами электроэнергии и дизельного топлива на единицу перевозочной работы, так и увеличением доли электрической тяги. Дело в том, что удельный выброс диоксида углерода на единицу приведенной перевозочной работы в автономной (тепловозной) тяге оказывается существенно (приблизительно в 3 раза) выше, чем в электрической тяге: 140 кг СфЛО тыс. т-км прив. против 45 кг С02/10 тыс. т-км прив. соответственно. Таким образом, увеличение доли электрической тяги в перевозочном процессе будет способствовать дальнейшему сокращению выбросов парниковых сазов.

Существуют 2 принципиальных направления сокращения выбросов парниковых газов:

1) сокращение потребления ТЭР (органического топлива, электроэнергии, тепловой энергии) через повышение энергетической эффективности и проведение мероприятий по экономии ТЭР;

2) изменение структуры топливопотребления: замещение одних видов ТЭР другими, характеризующимися меньшими значениями коэффициентов эмиссии парниковых газов (КЭ), а также увеличение доли источников энергии,

не использующих для своей работы органического топлива (альтернативной «безуглеродной» энергетики). В случае с косвенной энергетической эмиссией от электрического транспорта - изменение в структуре топливного баланса электроэнергетики в сторону увеличения доли топлив с меньшими значениями КЭ (природный газ) и развитие альтернативной энергетики, особенно на базе возобновляемых источников энергии.

Также в данной главе представлен суммарный сброс эксергии от энергетического комплекса железнодорожного транспорта в окружающую среду, представляющий собой сумму трех составляющих - термической, химической и концентрационной эксергии соответственно:

Есум=Еч + Ех + Ек. (7)

Таким образом, сокращение потребления эксергии на входе в систему (в ТДж) составило 15%, первичной эксергии (в ТДж) - 3%, выбросов С02 - 12%. Происходит увеличение доли электроэнергии в структуре потребления ТЭР с 31% до 43%. Также отмечается тенденция по использованию ТЭР с более высоким коэффициентом качества энергии (0,965 в 2008 г. по сравнению с 0,958 в 2003 г.), что приводит к уменьшению показателей удельного расхода эксергии и уменьшению негативной нагрузки на окружающую среду, в частности, выбросов парниковых газов.

В таблице 2 приведены интегральные показатели энергетического комплекса железнодорожного транспорта.

Таблица 2 - Интегральные показатели энергетического комплекса железнодорожного транспорта за 2008 г. ___

№■ п/п ТЭР Эксергия, ТДж % Эмиссия С02, [тыс. т1 %

1 Электроэнергия (первичная эксергия) 173160 (499704) 43,0 (68,5) 18722 50,5

2 Твердое 49923 12,4 (6,8) 4173 11,3

3 Жидкое 157139 39,0 (21,6) 12902 34,8

4 Газообразное 22406 5,6(3,1) 1283 3,5

ИТОГО:

Эксергия на входе 402628 100 37079 100

Первичная экергия 729172

Примечание - для электроэнергии учитывалась косвенная энергетическая эмиссия

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Установлено, что эффективность использования ТЭР (эксергетический КПД) в энергетическом комплексе железнодорожного транспорта в настоящее время составляет 33,4%. Причем основная доля потерь эксергии приходится на тягу поездов и составляет 45% от общего «эксергетического входа» системы или 68% от общих потерь эксергии в энергетическом комплексе железнодорожного транспорта.

2. Получены количественные зависимости, которые позволяют оценивать эффективность использования энергии и потенциал возможного сокращения энергопотребления как по всему энергетическому комплексу железнодорожного транспорта в целом, так и по отдельным его элементам. Так, рассчитанное по данным за 2008 г. значение эксергетического коэффициента полезного действия (эксергетического КПД) энергетического комплекса железнодорожного транспорта составило 33,4%. Величина потенциала сокращения энергопотребления на 2008 г. (по эксергии) относительно имеющихся образцов «наилучших доступных технологий» была оценена в 6,5% от общего количества эксергии на входе в систему, или в абсолютном выражении - 1586 тыс. т у.т.;

3. Установлено, что значения эксергетического КПД составляют для: тепловозной тяги - 32%; электрической тяги (с учетом полного цикла преобразований энергии топлива - от генерации электрической энергии до потребления): для постоянного тока - 34,6%, для переменного тока - 34,7%.

4. Сделан вывод о приоритетности повышения эффективности использования эксергии в перевозочном процессе (в соответствии со структурными коэффициентами) и о том, что наиболее значимыми являются организационно-технические мероприятия по уменьшению потерь эксергии для тягового подвижного состава (в соответствии с коэффициентами преобразования эксергии).

5. Выполнен расчет суммарного сброса эксергии в окружающую среду, представляющий собой сумму трех составляющих - термической, химической и концентрационной эксергии соответственно. Этот показатель используется в ряде зарубежных и отечественных публикаций для оценки потенциального негативного воздействия на окружающую среду и может использоваться для оценки экологической безопасности энергетического комплекса железнодорожного транспорта.

6. Установлено, что удельный выброс диоксида углерода на единицу перевозочной работы в электрической тяге (с учетом выбросов диоксида

углерода при сжигании топлива на электрической станции) примерно в 3 раза ниже аналогичного показателя для автономной (тепловозной) тяги, поэтому дальнейшее увеличение доли перевозочной работы на электрической тяге будет способствовать сокращению выбросов парниковых газов.

7. Динамика удельных показателей говорит о положительной тенденции: повышении эффективности использования энергии и снижении сопряженного с ним негативного воздействия на окружающую среду. Так, например, удельный показатель потребления первичной эксергии на единицу перевозочной работы за период 2003 - 2008 гг. снизился на 12%, а показатель удельной эмиссии парниковых газов - на 16%.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Попов В.Г., Боровков Ю.Н. Эмиссия парниковых газов на железнодорожном транспорте России / Безопасность жизнедеятельности, №11, 2010-С. 39-43.

2. Боровков Ю.Н. Энергетический комплекс железнодорожного транспорта России как открытая термодинамическая система/Научный прогресс на рубеже тысячелетий/Материалы VII Международной научно-практической конференции. - Прага: Publishing house "Education and science" s.r.o., 2011. - C. 26-29.

3. Боровков Ю.Н., Попов В.Г. Эколого-энергетическая оценка эффективности грузовых перевозок на железнодорожном TpaHcnopTe/«TRANS-MECH-ART-СНЕМ».//Труды VII Международной научно-практической конференции. -М.: МИИТ, 2010. - С. 42-44.

4. Popov V.G., Borovkov Y., Sysoev M. Estimation of greenhouse gases emissions from railway transport in Russia.//Proceeedings of 6th International Students-Scientific Conference TRANS-MECH-ART-CHEM Radom (Poland), 11-14 may 2009.

5. Попов В.Г., Боровков Ю.Н. Оценка эмиссии парниковых газов по категориям источников при функционировании железнодорожного транспорта. Неделя науки - 2009.//Труды конференции, - М.: МИИТ, 2010.

6. Попов В.Г., Боровков Ю.Н. Оценка выбросов электрифицированного железнодорожного транспорта. Неделя науки - 2008.//Труды конференции. -М.: МИИТ, 2009.

7. Попов В.Г., Боровков Ю.Н. Метод оценки эмиссии парниковых газов при функционировании железнодорожного транспорта. Девятая научно-практическая конференция «Безопасность движения поездов»//Труды конференции. - М.: МИИТ, 2008.

8. Боровков Ю.Н. Экологические аспекты энергопотребления в грузовых железнодорожных перевозках.//Х1 Межвузовский научно-практический семинар-конкурс «Экология и рациональное природопользование Московского региона». Сб. науч. трудов/Отв. Ред. А.В. Садов. - М.: Изд-во МИИГАиК, 2007.-121 с.

БОРОВКОВ ЮРИЙ НИКОЛАЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ И ЭМИССИИ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Специальность 05.14.01 - Энергетические системы и комплексы

Подписано в печать^//, 2р>УЧ Формат бумаги 60x90 1/16 Усл. печ. л. Тираж ££ экз.

Заказ № Я>Ос/_

127994, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, УПЦ ГИ МИИТ

Введение *

1 Теоретические подходы к оценке энерго-экологической 12 эффективности энергетических систем и комплексов

1.1 Существующие подходы к оценке энергетической и 12 экологической эффективности энергетических систем и комплексов

1.2 Основные сферы современного применения 26 эксергетического метода

1.3 Потоки эксергии в технических системах. Структура 32 эксергетических потерь и их практические аспекты

1.4 Целесообразность использования эксергетического 44 метода для оценки энерго-экологической эффективности, энергетического комплекса железнодорожного транспорта

2 Энергетический комплекс железнодорожного 47 транспорта как открытая термодинамическая система

2.1 Структура энергетического комплекса 47 железнодорожного транспорта

2.2 Потоки эксергии в энергетическом комплексе 53 железнодорожного транспорта

3 Оценка термодинамической эффективности 60 энергетического комплекса железнодорожного транспорта

3.1 Термодинамическая эффективность перевозочного 60 процесса на железнодорожном транспорте

3.1.1 Перевозочный процесс с точки зрения термодинамики

3.1.2 Термодинамическая эффективность автономной 70 (тепловозной)тяги

3.1.3 Термодинамическая эффективность электрической тяги

3.1.4 Оценка термодинамической эффективности 90 перевозочного процесса и основные направления ее повышения

3.2 Термодинамическая эффективность нетяговых 97 потребителей железнодорожного транспорта

3.3 Результаты оценки термодинамической эффективности 98 энергетического комплекса железнодорожного транспорта и основные направления ее повышения

4 Использование эксергетического метода в оценке. Ю8 выбросов парниковых газов и других видов негативного воздействия на окружающую среду

4.1 Эксергетические показатели негативного воздействия на Ю8 окружающую среду

4.2 Оценка эмиссии парниковых газов на железнодорожном 120 транспорте

4.2.1 Структура источников эмиссии парниковых газов на 122 железнодорожном транспорте

4.2.2 Методика расчета прямой эмиссии парниковых газов

4.2.3 Методика расчета косвенной энергетической эмиссии 136 парниковых газов железнодорожного транспорта

4.2.4 Эмиссия парниковых газов энергетического комплекса 143 железнодорожного транспорта

4.3 Эксергия выбросов железнодорожного транспорта

4.3.1 Эксергия выбросов в автономной (тепловозной) тяге

4.3.2 Эксергия косвенных выбросов в электрической тяге

4.3.3 Эксергия удельных выбросов на единицу перевозочной 159 работы в автономной и электрической тяге

Выводы

Практически все типы техногенных объектов можно рассматривать как материальные системы, обменивающиеся веществом и (или) энергией с окружающей средой. Совокупная деятельность этих систем представляет собой все материально-техническое производство человечества. Если все совокупное производство рассматривать как совершение некоторой полезной работы А, то критерием прогрессивного развития таких систем будет являться увеличение полезной работы во времени (производство все большего полезного продукта): еШЖ>0. (1)

В силу своей специфики и различного целевого назначения один и тот же вещественно-энергетический поток эти системы могут использовать по-разному. Отношение полезно используемой энергии, идущей на совершение работы А, и полной энергии, попадающей в систему извне Е, будет отражать ее внутренние свойства - коэффициент полезного действия (КПД), или эффективность: ц =А/Е. (2)

Тогда изменение критерия прогрессивного развития системы во времени можно записать как:

Ш<И = ц^Е/Ж) + Е(йг\Щ > 0, (3) откуда следует, что система может эволюционировать:

1) либо на основе увеличения внешнего потока энергии - экстенсивное развитие;

2) либо на основе роста КПД (эффективности) — интенсивное развитие.

Таким образом, вопрос эффективности использования энергии является чрезвычайно важным, поскольку напрямую связан с проблемами энерго- и ресурсосбережения, а также загрязнения окружающей среды.

Вот как определено понятие «энергоэффективность» в [2]: «Энергоэффективность — эффективное использование энергетических ресурсов — достижение экономически оправданной эффективности использования ТЭР с модернизацией существующей техники и технологии и при соблюдении требований к охране окружающей среды».

О степени важности данной проблемы говорит хотя бы тот факт, что за последние несколько лет в России был принят ряд новых законодательных и нормативно-правовых актов, направленных на активное повышение энергоэффективности практически во всех секторах национальной экономики:

- Федеральный закон РФ №261-ФЗ от 23 ноября 2009 г. «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности»;

- Указ Президента РФ №889 от 04 июня 2008 г. «О некоторых мерах по повышению энергетической? и экологической эффективности российской экономики», ставящий задачу снизить на 40% энергоемкость валового внутреннего продукта РФ;

- Государственная программа РФ «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года», утвержденная распоряжением Правительства РФ от 27 декабря 2010 г. N 2446-р;

- Распоряжение Правительства РФ от 8 января 2009 г. №1-р «Основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 года».

На рисунке 1 приведена оценка потенциала экономии энергоресурсов в России. [3]

Амлн т у. т.*

Т Г—

ДО

30 1 2 О Ю О

Рисунок 1 - Потенциал экономии энергоресурсов в России: 1 - природный газ; 2 - нефтепродукты; 3 - уголь; 4 - электрическая энергия; 5 - тепловая энергия (ФЦП «Энергосбережение в России»); * т у.т. - тонн условного топлива

Приблизительная оценка потенциала энергосбережения по отраслям российской экономики дает следующую картину (рисунок 2):

Топливно-энергетический комплекс

34%

Сельское хозяйство

3%

Транспорт 6%

Промышленность и строительство 31%

Рисунок 2 - Потенциал энергосбережения по отраслям, %

Таблица 1 — Структура современного потенциала энергосбережения по отраслям народного хозяйства РФ

Отрасли народного хозяйства Э лектроэнергпя, млрд кВт-ч Централизованное тепло, млн. Гкал Топливо, млн. тут Всего - млн тут О' /О

Топлнвно-энергетшескиП комплекс 29-35 70-80 99-110 120-135 33—31

Промышленность и строительство 110-135 150-190 49-63 110-140 31-37

Транспорт 7-11 22-26 23-30 6-7

Сельское хозяйство 4-5 5 9-11 12-15 3.0

Коммунально-бытовой сектор 70-74 120-135| 51-60 95-110 27-26

Итого 220-260 345-410 230-270 360-430 100 Под современным потенциалом энергосбережения понимается комплекс технически реализуемых. и экономически оправданных мероприятий и проектов, направленных на повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов

Как видно из приведенных выше материалов, одним из основных энергоемких секторов национальной экономики, обладающих в то же время значительным потенциалом энергосбережения, является транспортный сектор.

В' транспортном секторе России чрезвычайно важную роль играет железнодорожный транспорт. Железнодорожный транспорт - основное звено в единой транспортной системе Российской! Федерации. Отличается регулярностью движения во все времена года, большой скоростью, способностью осваивать массовые потоки грузов и пассажиров, относительно низкой себестоимостью перевозок. Эти преимущества делают 1 железнодорожный' транспорт универсальным для перевозки всех видов грузов в межрайонных и внутрирайонных сообщениях и пассажиров в пригородном, местном и дальнем сообщениях.

Железнодорожный транспорт в мире признан одним из наиболее энергетически эффективных и экологически чистых видов транспорта, так как по удельному потреблению энергетических ресурсов на единицу перевозочной работы он выгодно отличается от других видов сообщений: при одинаковом расходе энергоресурсов железными дорогами выполняется значительно больший объем перевозочной работы. Энергетическая эффективность железнодорожного транспорта в 2—3 раза выше автомобильного как в грузовых, так и в пассажирских перевозках (по показателям удельного расхода энергии на единицу перевозочной работы). Заметное преимущество имеет железнодорожный транспорт и по показателям удельных выбросов загрязняющих веществ на единицу перевозочной работы.

Железнодорожный транспорт, выполняя технологические функции перемещения большого объёма грузов и пассажиров на значительные расстояния, является энергоёмкой сферой общественного производства. По данным Федеральной службы государственной статистики РФ [4] в 2009 году грузооборот железнодорожного транспорта составил 1865 млрд. тонно-километров, а пассажирооборот - 151,5 млрд. пассажиро-километров.

Структура грузооборота и пассажирооборота в РФ по видам транспорта за 2009 г. представлена на рисунках 3 и 4.

Жел езнодорожн ы й □ Railway

Автомобильный □ Road

Магистральный трубопроводный ® Trunk pipelines ! Maritime

Морской Внутренний водный ■ fg Inland waterway Air

Воздушный

Рисунок 3 - Структура грузооборота в РФ по видам транспорта

2009 г.) [4]

Железнодорожный в □ в

Автобусный

Таксомоторный г ■

Городской электрический □

Водный

Воздушный

Рисунок 4 - Структура пассажирооборота в РФ по видам транспорта

2009 г.) [4]

На долю железнодорожного транспорта приходится 42% совокупного грузооборота (с учетом трубопроводного транспорта) и свыше 35% пассажирооборота.

При этом железнодорожный транспорт России потребляет ежегодно до 6% производимой в стране электроэнергии и столько же - дизельного топлива. При этом на тягу поездов во всех видах движения расходуется около 82% электроэнергии и 85% дизельного топлива, потребляемых железнодорожным транспортом [5].

Эффективность использования энергии в перевозочном процессе, таким образом, имеет определяющее значение для отрасли в целом. Перевозочная работа, измеряемая в тонно-километрах, по физической природе представляет аналог механической работы и, следовательно, является энергетическим показателем [6]. 9

Таким образом, железнодорожный транспорт можно рассматривать как крупный энергетический комплекс.

Не производя собственных энергоресурсов, железнодорожный транспорт энергетически полностью зависит от топливно-энергетического комплекса страны. Поэтому практически единственной мерой возможного влияния на энергетическую составляющую эксплуатационных расходов является энергосбережение, прежде всего в тяге поездов и в стационарной энергетике [7].

Обеспечение энергетической эффективности и экологической безопасности железнодорожного транспорта является одним из важнейших стратегических направлений развития отрасли, ориентированным на уменьшение объемов потребления энергоресурсов и сокращение расходов на их приобретение, а также снижение нагрузки на окружающую среду со стороны объектов железнодорожного транспорта.

Деятельность в этом направлении определяется рядом основополагающих отраслевых документов:

- Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года (Утв. распоряжением-Правительства Российской Федерации от 17 июня 2008 г. № 877-р);

- «Стратегические направления научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» («Белая книга ОАО «РЖД»);

- «Энергетической-стратегией ОАО «РЖД» на период до 2010 и на перспективу до 2020 г.»;

- «Экологической стратегией ОАО «РЖД» на период до 2015 и на перспективу до 2030 г.».

Говоря об энергосбережении на железнодорожном транспорте, стоит привести некоторые данные о планируемой в ОАО «РЖД» программе по внедрению ресурсосберегающих технологий на железнодорожном транспорте: до 2013 года направить 8,7 млрд. руб. на ее реализацию. В период с 2011 до 2013 годы компания намерена реализовать 11 новых

10 мероприятий, в числе которых несколько комплексных пилотных проектов по внедрению энергосберегающих систем в производственных зданиях, включая железнодорожные вокзалы. По предварительным оценкам, потенциал энергосбережения для таких объектов может составить до 40% от существующего уровня энергопотребления. [8]

Целью настоящей диссертационной работы является оценка энергоэкологической эффективности энергетического комплекса, железнодорожного транспорта с использованием эксергетического метода.

Решение поставленных задач осуществляется на основе методологии: системного анализа и эксергетического метода термодинамического анализа. Использование данного подхода обусловлено его значительной: универсальностью и возможностью преодоления методологических проблем: при необходимости учета в единой системе качественно различных видов энергии.

Научная новизна:

- На основе системного подхода и эксергетического метода получена диаграмма потоков эксергии энергетического комплекса, железнодорожного транспорта;

- предложена универсальная методика оценки эмиссии парниковых: газов энергетического комплекса железнодорожного транспорта, тт получены значения годовых выбросов парниковых газов (прямых и: косвенных энергетических);

- произведена оценка эксергии выбросов энергетического комплекса, железнодорожного транспорта.

Полученные в работе результаты могут дополнять и уточнять, используемые в настоящее время показатели энергетической эффективности: и экологической безопасности.

выводы

1. Обоснована целесообразность применения эксергетического метода термодинамического анализа для исследования и оценки эффективности использования энергии в энергетическом комплексе железнодорожного транспорта с учетом экологических аспектов его функционирования.

2. Предложена универсальная методика оценки эффективности использования энергии в энергетическом комплексе железнодорожного транспорта для качественно различных видов энергии и энергоносителей с учетом экологических аспектов функционирования. Методика может использоваться как для отдельно взятого структурного подразделения железнодорожного транспорта, так и для всего железнодорожного транспорта в целом.

3. Проведена обработка и анализ статистических данных по потреблению топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) на железнодорожном транспорте.

4. Определены основные интегральные показатели, характеризующие энергетический комплекс железнодорожного транспорта как открытую термодинамическую систему на основе данных о потреблении ТЭР.

5. Составлены диаграммы потоков эксергии на основе данных о структуре потребления ТЭР в энергетическом комплексе железнодорожного транспорта.

6. Установлено, что эффективность использования ТЭР (эксергетический КПД) в энергетическом комплексе железнодорожного транспорта на 2008 г. составляет 33,4%. Причем основная доля потерь эксергии приходится на тягу поездов и составляет 45% от общих потерь эксергии в энергетическом комплексе железнодорожного транспорта.

7. Установлено, что значения эксергетического КПД составляют для: тепловозной тяги т]еТГ= 32%; электрической тяги с учетом полного цикла энергетических преобразований: ц"0^— 34,6% — для постоянного тока и

1"%г"= 34,7% - для переменного тока.

8. Определен индекс эффективности вида тяги по расходу первичной эксергии. Он составляет 2,2-2,3 — во столько раз значение • удельного потребления первичной эксергии на единицу приведенной перевозочной работы в электрической тяге меньше по сравнению с автономной (тепловозной)тягой.

9. Сделан вывод о приоритетности повышения эффективности использования эксергии в перевозочном процессе (в соответствии со структурными коэффициентами) и о том, что наиболее значимыми являются организационно-технические мероприятия по уменьшению потерь эксергии для тягового подвижного состава (в соответствии с коэффициентами преобразования эксергии).

10. Сделан обоснованный вывод о целесообразности дальнейшего увеличения доли электротяги в общем объеме выполняемой перевозочной работы с целью повышения энергетической эффективности и снижения негативного воздействия на окружающую среду.

11. Выполнен расчет суммарного сброса эксергии в окружающую среду, представляющий собой сумму трех составляющих — термической, химической и концентрационной эксергии соответственно. Этот показатель может использоваться для оценки потенциального негативного воздействия энергетического комплекса железнодорожного транспорта на окружающую среду.

2. Предложена универсальная методика оценки эмиссии парниковых газов, позволяющая получить на основе данных о потреблении ТЭР значения объемов выбросов парниковых газов (прямых и косвенных) как на уровне отдельно взятого структурного подразделения железнодорожного транспорта, так и для всего железнодорожного транспорта в целом.

13. Произведена оценка эмиссии парниковых газов (прямых и косвенных) энергетическим комплексом железнодорожного транспорта за период с 2003 г. по 2008 г. для всех структурных подразделений железнодорожного транспорта и для железнодорожного транспорта м целом.

14. Установлено, что удельный выброс диоксида, углерода на единицу перевозочной работы в электрической тяге примерно в 3 раза ниже аналогичного показателя для автономной (тепловозной) тяги, поэтому дальнейшая электрификация тяги будет способствовать сокращению выбросов парниковых газов

15. Определены следующие удельные показатели -"удельное потребление эксергии на единицу перевозочной р!аботы,, удельный выброс парниковых газов на единицу перевозочной, работы, й показатель интенсивности прямой эмиссии парниковых газов* [т СОг-экв./т у.т.]. Динамика изменения этих показателей позволяет определить основные тенденции в изменении эффективности использования энергии и сопряженного с этим негативного воздействия на окружающую среду.

16. Установлено, что по характеру изменения удельных показателей в период с 2003 г. по 2008 г. происходит постоянное повышение эффективности использования энергии в энергетическом комплексе железнодорожного транспорта и снижение связанного с ним негативного воздействия на окружающую среду.

17. Сделан вывод, что сокращение эмиссии парниковых газов можно обеспечить через повышение энергетической эффективности и изменение структуры топливопотребления: замещение одних видов топлива другими, характеризующимися меньшими значениями коэффициентов эмиссии парниковых газов, а также увеличение доли источников альтернативной «безуглеродной» энергетики.

1.В., Мартынов A.C. Интерфакс, М., 2010.

2. Федеральный закон РФ №261-ФЗ от 23 ноября 2009 г. «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности»

3. ФЦП «Энергосбережение в России»

4. Россия в цифрах. Краткий статистический сборник Электронный ресурс./Федеральная служба государственной статистики (Росстат)/ Режим доступаhttp://www-gks.ru/wps/wcm/cormect/ro tisticCollections/doc 1135075100641 Загл. с экрана.

5. Энергетическая стратегия ОАО «РЖД» на период до 2010 года и на перспективу до 2020 года. М.,2004 г. - С. 15-17.

6. Деев В.В., Ильин Г.А., Афонин Г.С. Тяга поездов: Учебное пособие для вузов/ Под ред. В.В. Деева. М.: Транспорт, 1987. - 264 с.

7. Косарев А.Б. Энергетическая стратегия Электронный ресурс./Железнодорожный транспорт/ Режим доступа: http://www.zdt-magazine.ru/publik/pravlenie/2007/iune07/kosar-pri.htm Загл: с экрана.

8. РЖД до 2013 г. направят 8,7 млрд руб. на внедрение ресурсосберегающих технологий /Информационный.портал «РЖД-партнер»/ Электронный ресурс.-' Режим доступа: http://www.rzd-partner.ru/news/2010/12/06/361012.html - Загл. с экрана.

9. Эксергетические расчеты технических систем: Справ. Пособие/ Бродянский. В.М., Верхивкер Г.П., Карчев Я.Я. и др. Под ред. Долинского A.A., Бродянского В.М. АН УССР. Ин-т технической теплофикации. — Киев: Наук. Думка, 1991.-360 с.

10. Бродянский В.М. Эксергетический метод термодинамического анализа. М.: «Энергия», 1973.

11. Пушкарев О.Е. Нужен ли начальный уровень отсчета эксергии? / Промышленная теплотехника, 1992, т.14, №4-6. С. 91- 96.

12. Литовский Е.И; Потоки энергии и эксергии. М.: Наука, 1988. - 144с.

13. Кириллин В.А. и др. Техническая термодинамика. Учебник для вузов. Изд. 2-е: М., «Энергия», 1974. 448 с.

14. G.Buenstorf. The economics of energy and. the production process: an evolutionary approach, 2004.

15. Белоусов B.C., Ясников Г.И., Островская A.B., Евпланов А.И., Павлюк Е.Ю. Термодинамика, энергетическая эффективность и экология. — Екатеринбург: Полиграфист, 1999:— 204 с. .

16. Техническая термодинамика: учеб. для машиностроит. спец. вузов/В.И. Кругов, С.И. Исаев, И.А. Кожинов и др./ Под ред. В.И. Крутова. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк,, 1991. — 384 е.: ил.

17. Теория и практика энерго-ресурсосбережения: Учебное пособие/ Ануфриев В.П., Лебедев Ю.В., Черномуров Ф.М. Екатеринбург. 2006.- 405 с.

18. Панюшкин AJB., Сапожников ;В;В:, Сапожников В л. В. Энергия для железнодорожного транспорта (экология, энергетика, экономика); — СПб.: Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 2007. — 95 с. .

19. Ibrahim Dincer, Marc A. Rosen- Exergy: Energy; Environment and Sustainable development. Elsevier, 2007 300 p.

20. I. Dincer, Y. A. CengeU.Energy, entropy and exergy concepts and their roles in thermal engineering//Entropy, 2001,3 P: 116-149. .

21. A new ecology: systems perspective. J0rgensen Sven Erik, Fath Brian, Bastianonii Simone, Marques Joao C., Muller Felix, Nielsen S. Nors, Patten Bernard D:,Tiezzi Enzo, Ulanowicz Robert E.

22. Eugene A. Silow and Andrew V. Mokry. Exergy as a tool» of ecosystem health assessment/ Entropy 2010,12, 902-925.

23. The exergy of lift and aircraft exergy flow diagram David M. Paulus, Jr, Richard. A. Gaggiolli/ Int.J. Thermodynamics, Vol.6, (No.4)j pp. 149-156, December-2003.

24. Development of a Novel Modular Simulation Tool for the Exergy Analysis of a Scramjet Engine at Cruise Condition/ Valentina Amati, Claudio Bruno, Domenico Simone, Enrico Sciubba/ Int.J. Thermodynamics Vol. 9 (No. 4), pp. 111, December 2006.

25. Goran Wall, A Sustainable Energy Sweden, Draft, 2001.

26. G. Wall, E. Sciubba, V. Naso. Exergy use in the Italian society. / Energy Vol. 19, No. 12, pp. 1267-1274, 1994.

27. G.Q. Chen, Z.H. Qi, Systems account of societal exergy utilization: China 2003/ Ecological modelling 208 (2007) p. 102-1184.

28. Energy, exergy, and extended-exergy analysis of the Norwegian society 2000/ Energy 30 (2005) p. 649-675.

29. G. Wall. Exergy conversion in the Japanese society/ Energy Vol. 15, No. 5, pp. 435-444, 1990.

30. Hammond, G. P. and Stapleton, A. J., 2001. Exergy analysis of the United Kingdom energy system. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, 215 (2), pp. 141-162.

31. Goran Wall, Exergetics, in Mostafa Tolba Ed., Our Fragile World -Challenges and Opportunities for Sustainable Development, EOLSS Publ:, Oxford, 2001.

32. G. Wall. On Exergy and Sustainable Development in Environmental Engineering/ The Open-Environmental Engineering Journal, 2010; 3, 21-32.

33. M. Federici, S. Ulgiati, R. Basosi. A thermodynamic, environmental and material flow analysis of the, Italian, highway and railway transport systems/ Energy Volume 33, Issue 5, May 2008, Pages 760-775.

34. Christopher J. Koroneos, Evanthia A. Nanaki. Energy and exergy utilization assessment of .the Greek transport sector/Energy Policy, Volume 35, Issue 11, November 2007, Pages 5422-5432.

35. Energy and exergy efficiencies in Turkish transportation sector, 1988— 2004/ Energy Policy Volume 35, Issue 2, February 2007, Pages 1238-1244.

36. Xi Ji and G.Q. Chen. Exergy analysis of energy utilization in the transportation sector in China/ Energy Policy Volume 34, Issue 14, September 2006, Pages 1709-1719.

37. An estimation of the energy and exergy efficiencies for the energy resources consumption in the transportation sector in Malaysia/ Energy Policy, Volume 35, Issue 8, August 2007, Pages 4018-4026.

38. Jaber, J.O.Al-Ghandoor, A. Sawalha, S.A. Energy analysis and exergy utilization in the transportation sector of Jordan /Energy Policy, Volume 36, Issue 8, August 2008, Pages 2995-3000.

39. Cornelia A. Bulucea, Daniel C. Cismaru, Doru A. Nicola, Constantin

40. Brandusa, Gheorghe Manolea and Gabriela M. Cismaru. Exergy Analysis174

41. Framework for Underground Transportation: Systems/. International Journal of Energy and Environment, Issue 1, Volume 2, 2008*. .

42. Сидорова TO. С! Эксергия как, единая мера / Ю. С. Сидорова, В. В. Плотников//Веста. КГЭУ:-2010.-№3.-с: 30-31. ' : ;

43. G. Wall. On1 Exergy and Sustainable Development in Environmental Engineering / The Open EnvironmentaLEngineering Journal, 2010; 3, 21-32.

44. Метод эксергетического анализа термодинамических систем и комплексов: учеб. пособие/ А.И; Андрющенко, Е.А. Ларин, Л;А. Сандаловая Саратов: Сарат. гос: техн. ун-т, 2008 74 с.

45. Сафонов М.С., Лисичкин Г.В. Можно ли уменьшить концентрацию углекислого газа в атмосфере? / Соросовский образовательный журнал, Том, 7, №7, 2001,

46. Воробьев О.Г., А.В. Шамшин. Анализ техногенных потоков загрязняющих веществ судостроительного завода. Электронный ресурс. -Режим-доступа http://inftech.webservis.ru/it/conference/scin/l999/session 12/vorobev.html,

47. Хазен М:М. Энергетика локомотивов. Изд. 2-е, перераб. и допол. .М.: «Транспорт», 1977.-206 с.

48. В.М. Бродянский. /«Наука и жизнь», 1982, №3. Энергия: проблема качества.

49. Zhang М; et al., Energy and exergy efficiencies in the Chinese transportation sector, 1980-2009, Energy (2011), doi: 10.1016/j.energy.2010.12.044

50. Романюк B.H., Радкевич В.H., Ковалев;Я.Н. Основы эффективного энергоиспользования на производственных предприятиях дорожной отрасли. Под ред. д.т.н., проф. Ковалева Я;Н.: Минск 2001'.

51. В. А. Гапанович Электронный ресурс. Режим доступа http://www.opzt:ru/ files/345.pdf

52. В. А. Гапанович. Приоритеты в сфере энергосбережения и технического регулирования Электронный ресурс. Режим доступа http://www.zdt-magazine.ru/publik/pravlenie/2009/02-09r.htm

53. Локомотивные энергетические установки: Учебник для вузов ж.д. трансп.: А.И. Володин, В.З. Зюбанов, В.Д. Кузьмич и др.; Под ред. А.И. Володина. М.: ИПК «Желдориздат», 2002. — 718 с.

54. Осипов С.И. Энергетика электрических железных дорог. Лекция. М.: РШТУПС, 2002. 36 с.

55. Преобразование тепловой энергии топлива в механическую работу локомотивов./В.Г. Столпников. — 2-е изд., перераб. и доп. Брянск.: БГТУ, 2006-126 с.

56. Теория электрической тяги/ В.Е. Розенфельд. И.П. Исаев, II.11. Сидоров, М.И: Озеров; Под ред. И.П. Исаева. — М.: Транспорт, 1995. — 294 с.

57. Энергетическая стратегия железных дорог Электронный ресурс. -Режим доступа: http://www.css-rzd.ru/ZDM/2005-02/05012-2:htm

58. Р.А. Ильин, А.К. Ильин / Эффективность использования эксергии топлива в котлах различного назначения/ Вестник АГТУ. 2006. №3 (32). С. 253-256.

59. М. Federici;et-.al. Efficiency andisustainabiHty indicators for? passenger and commodities transportation systems/Ecological Indicators 3 (2003) 155-169.

60. O.B. Афанасьева, С.С. Вандышева, F.P. Мингалеева. Оценка эффективности мини-ТЭС,. работающих на твердом топливе /Международный; научный журнал «Альтернативная; энергетика и экология» №6(86)2010.

61. Долинский А.А., Драганов Б.Х., Дубровин В.А. Оптимизация технических систем методами эксергоэкономики/Промышленная теплотехника, 2003, т.25, №5 — С. 57 60.

62. Левшаков A.M. Использование эксергетического анализа выбросов теплоэнергетических объектов для решения; задач экологии //Вестник Амурского государственного университета: 1997. -N 1 - 34 с.

63. Marc A. Rosen Indicators for environmental impact of waste emissions: comparison of exergy and other indicators. Trans. Can. Soc. Mech. Eng. Vol. 33, No. 1,2009.

64. B.C. Степанов, Т.Б. Степанова. Совместное исследование термодинамической эффективности и экологичности технических объектов/ Экология и рациональное природопользование, №7 2010: С 124 - 130.

65. Thomas P. Seager, Thomas L. Theis. Exergetic pollution potential: Estimating the revocability of chemical pollution /Exergy, an International Journal 2 (2002) 273-282.

66. Stavropoulos G.G., Skodras G. The; use of exergy for evaluating environmental impact of processes. Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.opethp.net/download/wp6/ISFTAGEENo3opet%20special%20issuePaperl.pdf

67. Микушевич В.М. Мониторинг выбросов, парниковых газов> в РАО «ЕЭС» Электронный/ ресурс. . Режим . доступа:: www.e-apbe.ru/ecology/2008.06;03.%20Mikuchevitch.pps

68. ГОСТ Р ИСО 14064-1-2007 Газы парниковые. Часть 1. Требования и руководство по количественному определению и отчетности о выбросах и удалении парниковых газов на уровне организации: .

69. Руководящие принципы национальных инвентаризаций; парниковых газов, МГЭИК, 2006.

70. B.F. Попов, Ю.Н. Боровков. Эмиссия парниковых газов на железнодорожном транспорте.// «Безопасность жизнедеятельности», №11, 2010.

71. IEA Greenhouse Gas R&D Programme. ЕЕ AM. Richter, 1999.

72. Резников М.И., Липов Ю.М. Паровые котлы тепловых электростанций: Учебник для вузов. М.: Энергоиздат, 1981. - 240 е., ил. С. 42,51.

73. А.Н. Коваленко. Энергофизический мониторинг. Учебное пособие. -СПб, ИМТО, 2005. 88 с.

74. C02 emissions from fuel combustion. Highlights. 2011 edition. Международное энергетическое агентство Электронный ресурс. — Режим доступа: www.iea.org/co2highlights/co2highlights.pdf

75. Popov V.G., Borovkov Y., Sysoev M. Estimation of greenhouse gases emissions from railway transport in Russia. Proceeding of 6th International Students' Scientific Conference TRANS-MECH-ART-CHEM Radom 11-14 may 2009.

76. Процесс сгорания топлива в дизелях Электронный ресурс. — Режим доступа: http://dieselloc.ru/books/oil/oil8.html

77. Носырев Д.Я., Скачкова Е.А., Росляков А.Д. Выбросы вредных веществ локомотивными энергетическими' установками: Монография.: Маршрут, 2006. 248 с.

78. Easy exergy calculator. The exergoecology portal Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.exergoecology.com/excalc

79. Xi Ji et al. Exergy-based assessment for waste gas emissions from Chinese transportation/Energy Policy 37 (2009), 2231-2240.