ЕС. Справочный документ по наилучшим доступным технологиям обеспечения энергоэффективности

Энергоэффективность в контексте выдачи комплексных разрешений является «горизонтальной» проблемой, относящейся к любым отраслям и технологическим процессам. Поэтому, как отмечается в общем обзоре Справочных документов, структура настоящего документа не вполне соответствует обычной структуре таких документов. В частности, поскольку документ применим к широкому кругу отраслей и видов деятельности, в нем отсутствует раздел, посвященный нормативам потребления материалов и выбросов загрязняющих веществ. В документе даны ориентировочные значения возможной экономии энергии при использовании некоторых методов, которые могут рассматриваться как НДТ, а в приложениях приведено большое количество примеров. Эти сведения призваны помочь пользователям выбрать наилучшие методы обеспечения энергоэффективности для конкретных условий.

В главе 1 даны некоторые общие сведения об использовании энергии в промышленности и значении энергоэффективности в контексте директивы ЕС IPPC. Далее в главе приводится введение в ряд ключевых вопросов, не требующее от читателя специальной подготовки. Круг рассматриваемых вопросов включает вопросы экономики и учета воздействия на различные природные среды, терминологию энергоэффективности (энергия, тепло, работа, мощность и т.д.), а также основные законы термодинамики. В частности, первый закон термодинамики утверждает, что энергия не может создаваться или уничтожаться, но может лишь переходить из одной формы в другую. Это позволяет организовывать учет энергии в рамках технологического процесса или установки, рассчитывать КПД процессов и т.п. Согласно второму закону термодинамики, никакой процесс преобразования энергии не допускает совершения полезной работы, равной 100% затраченной энергии. Неизбежно существуют потери в форме рассеяния низкопотенциального тепла или энергии, и, как следствие, КПД никакого процесса или машины не может достигать 100%. Далее в главе обсуждаются показатели энергоэффективности, вопросы определения энергоэффективности и границ систем или агрегатов, для которых она оценивается, а также связанные с этим проблемы.

Глава также демонстрирует важность оптимизации энергоэффективности на уровне систем или установок в целом, а не на уровне отдельных компонентов.

Глава 2 посвящена методам обеспечения эффективности на уровне установки в целом. Сначала в главе обсуждаются системы менеджмента энергоэффективности (СМЭЭ), а затем – методы, которые могут использоваться для поддержания функционирования СМЭЭ. К этим методам относятся: комплексный подход к планированию деятельности и инвестиций с целью постоянного снижения воздействия установки на окружающую среду, анализ установки и ее систем как единого целого, использование энергоэффективных проектных и конструкционных решений наряду с выбором энергоэффективных процессов и технологий при строительстве новых и модернизации существующих установок, повышение ЭЭ за счет увеличения степени интеграции процессов, а также периодический анализ и модификация СМЭЭ. Среди других методов, обеспечивающих функционирование СМЭЭ, можно назвать поддержание надлежащей квалификации персонала; информирование по вопросам ЭЭ; эффективный контроль производственных процессов и поддержание их в надлежащем состоянии; мониторинг и измерения энергопотребления; энергоаудит; ряд аналитических методов, включая пинч-анализ, анализ эксергии и энтальпии, а также термоэкономику; мониторинг и сравнительный анализ уровней энергоэффективности для установок и производственных процессов.

В главе 3 рассматриваются методы обеспечения энергоэффективности для энергопотребляющих систем, процессов и оборудования, включая: сжигание топлива, паровые системы, регенерацию тепла, когенерацию, электроснабжение, подсистемы с электроприводом, насосные системы, отопление, кондиционирование воздуха и вентиляцию, освещение, а также сушку и сепарацию. Если сжигание топлива является существенной частью производственного процесса, подпадающего под действие Директивы IPPC (например, плавки металлов в печах), методы обеспечения энергоэффективности обсуждаются в соответствующем отраслевом Справочном документе.

Наилучшие доступные методы (технологии) (НДТ)

Глава по НДТ (глава 4) содержит описание методов, рассматриваемых как НДТ на общеевропейском уровне, основанное на сведениях, приводимых в главах 2 и 3. Нижеследующий текст кратко излагает содержание этой главы; официальным руководством, на котором должно основываться принятие решений по НДТ, является полный текст главы.

Никакие конкретные нормативы экономии энергии или энергоэффективности не были рассчитаны и/или согласованы при подготовке настоящего документа в силу его «горизонтального» характера. НДТ обеспечения энергоэффективности в рамках конкретных технологических процессов и связанные с ними уровни энергопотребления приводятся в соответствующих отраслевых («вертикальных») Справочных документах. Таким образом, НДТ для конкретной установки определяется на основе сочетания рекомендаций соответствующего отраслевого Справочного документа, НДТ для вспомогательных видов деятельности и элементов производственного процесса, которые могут быть описаны в других отраслевых Справочных документах (например, НДТ для установок по сжиганию топлива и паровых систем, описанные в Справочном документе для крупных установок по сжиганию топлива), а также универсальных НДТ, описанных в настоящем документе.

Целью Директивы IPPC является осуществление комплексного контроля и предотвращения загрязнений, позволяющего обеспечить более высокий уровень охраны окружающей среды в целом, включая эффективное использование энергии и рациональное использование природных ресурсов. Директива IPPC предписывает внедрение для перечисленных в ней видов деятельности разрешительной системы, требующей как от операторов, так и от регулирующих органов комплексного, целостного рассмотрения потенциала конкретной установки в отношении потребления ресурсов и загрязнения окружающей среды. Основной целью такого комплексного подхода должно быть улучшение проектных и конструкционных решений, а также менеджмента и контроля производственных процессов, направленное на обеспечение высокого уровня охраны окружающей среды в целом. Центральным элементом такого подхода является общий принцип, установленный статьей 3, согласно которому операторы должны принимать все уместные меры по предотвращению загрязнения, включая «наилучшие доступные технологии (методы)»,

позволяющие им повысить экологическую результативность деятельности, включая ее энергоэффективность.

Содержание документа

1. Введение и определения ....................................................................................................................... 1

1.1. Введение ........................................................................................................ 1

1.1.1. Энергия в промышленном секторе ЕС ....................................................................... 1

1.1.2. Воздействия энергопотребления на окружающую среду и экономику ................... 2

1.1.3. Вклад энергоэффективности в сокращение эффектов глобального потепления и повышение устойчивости ............................................................................................. 3

1.1.4. Энергоэффективность и Директива КПКЗ ............................................................. 4

1.1.5. Место энергоэффективности в системе комплексного предотвращения и контроля загрязнения ............................................................................................................ 6

1.1.6. Экономические аспекты и вопросы воздействия на различные компоненты окружающей среды........................................................................................................................... 7

1.2. Понятие энергии и законы термодинамики ................................................................. 9

1.2.1. Энергия, теплота, мощность и работа................................................................ 9

1.2.2. Законы термодинамики ....................................................................................... 12

1.3. Определения показателей энергоэффективности и повышения энергоэффективности .. 20

1.3.1. Вопросы энергоэффективности и ее оценки в Директиве IPPC ................................ 20

1.3.2. Эффективное и неэффективное использование энергии .......................................... 20

1.3.3 Показатели энергоэффективности ........................................................................ 21

1.3.4. Практическое применение показателей .............................................................. 24

1.3.5. Значимость систем и границ систем ...................................................................... 26

1.3.6. Другие используемые термины .............................................................................. 26

1.4. Показатели энергоэффективности в промышленности ............................................... 31

1.4.1. Введение: определение показателей и других параметров .................................... 31

1.4.2. Энергоэффективность производственных единиц ................................................... 32

1.4.3. Энергоэффективность предприятия.................................................................... 36

1.5. Вопросы, которые должны быть рассмотрены при определении показателей энергоэффективности ................................................................................................... 38

1.5.1. Определение границ системы ............................................................................. 38

1.5.2. Другие существенные вопросы, заслуживающие рассмотрения на уровне установки 44

2. Технологии, которые следует рассматривать для обеспечения энергоэффективности на уровне установки ........................................................................................................ 51

2.1. Системы менеджмента энергоэффективности (СМЭЭ) ................................................. 52

2.2. Планирование и определение целей и задач .......................................................... 63

2.2.1. Постоянное улучшение экологической результативности и вопросы воздействия на различные компоненты окружающей среды .................................................................... 63

2.2.2. Системный подход к менеджменту энергоэффективности ........................................ 65

2.3. Энергоэффективное проектирование (ЭЭП) ............................................................ 66

2.3.1. Выбор технологии производственного процесса ..................................................... 74

2.4. Повышение степени интеграции процессов .............................................................. 76

2.5. Обеспечение дальнейшего развития инициатив в области энергоэффективности и поддержание мотивации ............................................................................................. 77

2.6. Поддержание и повышение квалификации персонала ................................................ 80

2.7. Информационный обмен ........................................................................................ 83

2.7.1. Диаграммы Сэнки ............................................................................................... 84

2.8. Эффективный контроль технологических процессов ................................................ 86

2.8.1. Автоматизированные системы управления технологическими процессами .................. 86

2.8.2. Менеджмент (контроль, обеспечение) качества ...................................................... 89

2.9. Техническое обслуживание .................................................................................... 92

2.10. Мониторинг и измерения ..................................................................................... 94

2.10.1. Косвенные методы мониторинга.......................................................................... 94

2.10.2. Оценки и расчеты ............................................................................................. 95

2.10.3. Учет потребления энергоресурсов и усовершенствованные системы учета .............. 97

2.10.4. Снижение потери давления при измерении расходов в трубопроводах .................. 98

2.11. Энергоаудиты и энергетическая диагностика ....................................................... 100

2.12. Пинч-анализ ............................................................................................... 105

2.13. Энтальпийный и эксергетический анализ.......................................................... 111

2.14. Термоэкономика ............................................................................................... 114

2.15. Энергетические модели .............................................................................. 116

2.15.1. Энергетические модели, базы данных и балансы ........................................ 116

2.15.2. Оптимизация использования энергоресурсов и управление ими на основе моделей 119

2.16. Сравнительный анализ .................................................................................... 124

2.17. Прочие инструменты ......................................................................................... 127

3. Технологии, которые следует рассматривать для обеспечения энергоэффективности на уровне энергопотребляющих систем, процессов и видов деятельности ................... 128

3.1. Сжигание ................................................................................................................................ 129

3.1.1. Снижение температуры дымовых газов ..................................................... 135

3.1.2. Рекуперативные и регенеративные горелки ..................................................... 140

3.1.3. Сокращение массового расхода дымовых газов за счет снижения избытка воздуха горения ............................................................................................................ 142

3.1.4. Автоматизированное управление горелками ......................................... 143

3.1.5. Выбор топлива ................................................................................................ 144

3.1.6. Кислородное сжигание ..................................................................................... 145

3.1.7. Сокращение потерь тепла при помощи теплоизоляции................................ 147

3.1.8. Сокращение потерь тепла через отверстия печей ................................... 148

3.2. Паровые системы ................................................................................................ 148

3.2.1. Общие свойства пара ......................................................................................... 148

3.2.2. Обзор методов повышения энергоэффективности паровых систем .......................... 152

3.2.3. Дросселирование и использование турбодетандеров ..................................................... 154

3.2.4. Методы эксплуатации и управления технологическим процессом ............................... 156

3.2.5. Предварительный подогрев питательной воды (в т.ч. с помощью экономайзера) ...... 158

3.2.6. Предотвращение образования и удаление накипи с поверхностей теплообмена ........ 160

3.2.7. Оптимизация продувки котла ............................................................................................ 162

3.2.8. Оптимизация расхода пара в деаэраторе .......................................................................... 164

3.2.9. Оптимизация работы котла короткими циклами ............................................................. 166

3.2.10. Оптимизация парораспределительных систем .............................................................. 167

3.2.11. Теплоизоляция паропроводов и конденсатопроводов .................................................. 168

3.2.12. Реализация программы контроля состояния конденсатоотводчиков и их ремонта ... 171

3.2.13. Сбор и возврат конденсата в котел ................................................................................. 175

3.2.14. Использование самоиспарения ........................................................................................ 176

3.2.15. Утилизация энергии продувочной воды котла .............................................................. 178

3.3. Утилизация тепла и охлаждение .......................................................................................... 179

3.3.1. Теплообменники ................................................................................................................. 181

3.3.2. Тепловые насосы (в т.ч. механическая рекомпрессия пара)........................................... 185

3.3.3. Системы охлаждения и холодильные установки............................................................. 192

3.4. Когенерация ............................................................................................................................ 195

3.4.1. Различные методы когенерации ........................................................................................ 195

3.4.2. Тригенерация ...................................................................................................................... 204

3.4.3. Централизованное холодоснабжение ............................................................................... 207

3.5. Электроснабжение .................................................................................................................. 210

3.5.1. Компенсация реактивной мощности................................................................................. 210

3.5.2. Гармоники ........................................................................................................................... 213

3.5.3. Оптимизация систем электроснабжения .......................................................................... 214

3.5.4. Энергоэффективная эксплуатация трансформаторов ..................................................... 215

3.6. Подсистемы с электроприводом ............................................................................................ 217

3.6.1. Энергоэффективные двигатели ......................................................................................... 221

3.6.2. Выбор оптимальной номинальной мощности двигателя ................................................ 223

3.6.3. Приводы с переменной скоростью ................................................................................... 224

3.6.4. Потери при передаче механической энергии ................................................................... 224

3.6.5. Ремонт двигателей .............................................................................................................. 225

3.6.6. Перемотка ............................................................................................................................ 225

3.6.7. Экологические преимущества, воздействие на различные компоненты окружающей среды, применимость и другие соображения относительно методов повышения энергоэффективности систем с электроприводом ................................................ 226

3.7. Системы сжатого воздуха ...................................................................................................... 228

3.7.1. Оптимизация общего устройства системы ....................................................................... 235

3.7.2. Использование приводов с переменной скоростью ........................................................ 238

3.7.3. Высокоэффективные электродвигатели ........................................................................... 239

3.7.4. Централизованная система управления системой сжатого воздуха .............................. 240

3.7.5. Утилизация тепла................................................................................................................ 244

3.7.6. Сокращение утечек в системах сжатого воздуха ............................................................. 246

3.7.7. Техническое обслуживание фильтров .............................................................................. 248

3.7.8. Использование холодного наружного воздуха для питания компрессоров.................. 249

3.7.9. Оптимизация давления системы ....................................................................................... 251

3.7.10. Создание запаса сжатого воздуха вблизи потребителей с существенно варьирующим уровнем потребления .......................................................................................... 253

3.8. Насосные системы .................................................................................................................. 253

3.8.1. Инвентаризация и оценка насосных систем ..................................................................... 254

3.8.2. Выбор насоса ....................................................................................................................... 255

3.8.3. Оптимизация трубопроводной системы ........................................................................... 257

3.8.4. Техническое обслуживание ............................................................................................... 257

3.8.5. Управление насосными системами и их регулирование ................................................ 258

3.8.6. Привод и передача .............................................................................................................. 259

3.8.7. Экологические преимущества, воздействие на различные компоненты окружающей среды, применимость и другие соображения относительно методов повышения энергоэффективности насосных систем ................................................................ 259

3.9. Системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВКВ) ...................... 261

3.9.1. Отопление и охлаждение помещений ............................................................................... 261

3.9.2. Вентиляция .......................................................................................................................... 263

3.9.3. Естественное охлаждение .................................................................................................. 270

3.10. Освещение ............................................................................................................................ 271

3.11. Процессы сушки, сепарации и концентрирования ........................................................... 276

3.11.1. Выбор оптимальной технологии или сочетания технологий ....................................... 277

3.11.2. Механические процессы .................................................................................................. 280

3.11.3. Методы термической сушки ............................................................................................ 281

3.11.4. Радиационная сушка ......................................................................................................... 289

3.11.5. Системы автоматизированного управления процессами термической сушки ........... 292

4. Наилучшие доступные технологии .................................................................................... 293

4.1. Введение ................................................................................................................................. 293

4.2. Наилучшие доступные технологии обеспечения энергоэффективности на уровне установки ........................................................................................................................................ 299

4.2.1. Менеджмент энергоэффективности .................................................................................. 299

4.2.2. Планирование и определение целей и задач .................................................................... 300

4.2.3. Энергоэффективное проектирование (ЭЭП) .................................................................... 305

4.2.4. Повышение степени интеграции технологических процессов ...................................... 305

4.2.5. Поддержание поступательного развития инициатив в области энергоэффективности ................................................................................................................... 306

4.2.6. Поддержание уровня квалификации персонала .............................................................. 306

4.2.7. Эффективный контроль технологических процессов ..................................................... 307

4.2.8. Техническое обслуживание ............................................................................................... 307

4.2.9. Мониоринг и измерения..................................................................................................... 308

4.3. Наилучшие доступные технологии обеспечения энергоэффективности энергопотребляющих систем, технологических процессов, видов деятельности и оборудования ................................................................................................................................. 308

4.3.1. Сжигание ............................................................................................................................. 308

4.3.2. Паровые системы ................................................................................................................ 311

4.3.3. Утилизация тепла................................................................................................................ 313

4.3.4. Когенерация ........................................................................................................................ 314

4.3.5. Электроснабжение .............................................................................................................. 315

4.3.6. Подсистемы с электроприводом ....................................................................................... 316

4.3.7. Системы сжатого воздуха .................................................................................................. 317

4.3.8. Насосные системы .............................................................................................................. 318

4.3.9. Системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВКВ) ................... 320

4.3.10. Освещение ......................................................................................................................... 322

4.3.11. Процессы сушки, сепарации и концентрирования ........................................................ 322

5. Новые технологии обеспечения энергоэффективности ................................................ 325

5.1. Беспламенное сжигание (беспламенное окисление) ......................................................... 325

5.2. Сжатый воздух как средство хранения энергии ................................................................. 329

6. Заключительные замечания ................................................................................................ 331

6.1. Временные рамки и основные этапы подготовки настоящего документа ...................... 331

6.2. Источники информации ........................................................................................................ 331

6.3. Степень консенсуса ............................................................................................................... 333

6.4. Пробелы и дублирование информации. Рекомендации по дальнейшему сбору информации и исследованиям ..................................................................................................... 333

6.4.1. Пробелы и дублирование информации ............................................................................ 333

6.4.3. Конкретная производственная информация .................................................................... 336

6.4.3. Направления дальнейших исследований и практической деятельности ...................... 336

6.5. Пересмотр настоящего документа ...................................................................................... 338

Источники ...................................................................................................................................... 339

Глоссарий ....................................................................................................................................... 346

7. Приложения ............................................................................................................................ 360

7.1. Энергия и законы термодинамики ....................................................................................... 360

7.1.1. Общие принципы ................................................................................................................ 360

7.1.2. Первый и второй законы термодинамики ........................................................................ 362

7.1.3. Диаграммы свойств, таблицы свойств, базы данных и программы............................... 367

7.1.4. Использованные обозначения ........................................................................................... 369

7.2. Примеры термодинамической необратимости ................................................................... 371

7.2.1. Пример 1. Дросселирование .............................................................................................. 371

7.2.2. Пример 2. Теплообменники ............................................................................................... 373

7.2.3. Пример 3. Процессы перемешивания ............................................................................... 375

7.3. Примеры анализа энергоэффективности производства ..................................................... 378

7.3.1. Производство этилена методом парового крекинга ........................................................ 378

7.3.2. Производство мономера винилацетата (МВА) ................................................................ 380

7.3.3. Горячая прокатка стали ...................................................................................................... 381

7.4. Примеры внедрения систем менеджмента энергоэффективности ..................................... 383

7.5. Примеры энергоэффективных технологических процессов ............................................. 386

7.6. Пример подхода к поступательному развитию инициатив в сфере энергоэффективности: «совершенство в производственной деятельности» ............................... 389

7.7. Мониторинг и измерения ...................................................................................................... 390

7.7.1. Количественные измерения ............................................................................................... 390

7.7.2. Оптимизация использования энергоресурсов .................................................................. 390

7.7.3. Энергетические модели, базы данных и балансы ............................................................ 391

7.8. Другие инструменты аудита и поддержки мероприятий по повышению энергоэффективности на уровне предприятия ........................................................................... 394

7.8.1. Инструменты аудита и менеджмента энергоэффективности ......................................... 394

7.9. Сравнительный анализ .......................................................................................................... 396

7.9.1. Нефтеперерабатывающие заводы ..................................................................................... 396

7.9.2. Австрийское энергетическое агентство ............................................................................ 398

7.9.3. Схема для норвежских МСП ............................................................................................. 398

7.9.4. Соглашения о сравнительном анализе в Нидерландах ................................................... 398

7.9.5. Сравнительный анализ в стекольной промышленности ................................................. 399

7.9.6. Распределение энергозатрат и выбросов CO2 между различными видами продукции в сложном последовательном процессе .................................................................. 400

7.10. Примеры к главе 3 ................................................................................................................ 401

7.10.1. Паровые системы .............................................................................................................. 401

7.10.2. Утилизация отходящего тепла......................................................................................... 408

7.11. Мероприятия на стороне потребителя .............................................................................. 415

7.12. Энергосервисные компании ............................................................................................... 416

7.13. Сайт Европейской комиссии, посвященный вопросам энергоэффективности и Национальные планы действий государств-членов .................................................................. 421

7.14. Европейская схема торговли квотами (ETS) ...................................................................... 422

7.15. Оптимизация транспортных систем ................................................................................... 424

7.15.1. Энергоаудит транспортных систем ................................................................................. 425

7.15.2. Менеджмент энергоэффективности автомобильного транспорта ............................... 425

7.15.3. Улучшение упаковки с целью оптимизации использования транспорта .................... 430

7.16. Европейский топливный баланс .......................................................................................... 431

7.17. Коррекция коэффициента мощности при электроснабжении ............................................. 433

Полностью с документом можно ознакомиться в приложении к данной статье