Введение к работе
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 -
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.
