Uplatněním vědy k úsporám paliv a energie (1984)

Z iniciativy prvního náměstka ministra paliv a energetiky ing. M. Rusňáka, CSc., uspořádala Komise prezídia ČSAV pro energetiku v březnu 1984 za účasti pracovník ů ČSAV, FMPE, SKVTRI, SPK, FMHTS, dopravy, vysokých škol a z dalších resortů panelovou diskusi zaměřenou na využití vědy při racionálním hospodaření s palivy a energií. Tato diskuse zaměřená na vybrané oblasti spotřeby vyjádřila nutnost systémového přístupu ve vztahu energetiky k rozvoji čs. národního hospodářství. Rozsáhlé podklady k panelové diskusi i závěry z ní byly postoupeny k využití v praxi. Panelová diskuse je dalším příspěvkem pro plnění dlouhodobé strategie vyjádřené v usneseních XVI. sjezdu KSČ při hledání úspor energie.

Energeticky méně náročný typ národního hospodářství

Vysoká energetická náročnost ekonomiky ČSSR ve srovnání s hospodářsky vyspělými západními i socialistickými zeměmi spočívá nejen ve vysoké spotřebě energeticky náročných výrobků, jako je surové železo, ocel, cement a další, ale i v nízkém zhodnocení energie vyvolaném nízkou účinností reprodukčního procesu. Cesta k dosažení vyšší účinnosti vyžaduje uplatnění vědy a překonání řady bariér jak v setrvačnosti ekonomického rozvoje, tak i v myšlení a přístupech pracovníků podniků v oblasti těžby paliv, přeměny energie a využívání všech jejich forem.

Plánování spotřeby primárních energetických zdrojů je složitým problémem zahrnujícím vnitrostátní i mezistátní vztahy. Změny ve struktuře výroby energie ovlivňují negativně jak vysoké investiční náklady energetických zařízení, tak i dlouhé lhůty od vypracování investičního záměru do uvedení do provozu. Rychleji lze ovlivnit spotřebu energie. Proto se ukazuje účelné navázat na státní program racionalizace spotřeby a využití energie a doplnit ho dalšími směry odvozenými ze zkušeností výrobců a provozovatelů a z poznatků vědy i ze společenské objednávky, založené na základě zásadních změn plynoucích z prognózy rozvoje společnosti. Předpokladem pro podstatně lepší zhodnocování surovin, paliv a energie v národním hospodářství je postupná přeměna struktury výrobní sféry, která se podílí na celkové spotřebě energie dvěma třetinami. Tento úkol je náročný, dlouhodobý a neřešitelný bez vstupu základního i aplikovaného výzkumu. Proto je doporučeno, aby do úkolů řešených v osmé pětiletce byly zařazeny v základním výzkumu úkoly.

– Národohospodářský výzkum rozvoje meziodvětvových komplexů s cílem snížit energetickou náročnost československého národního hospodářství a dosáhnout rovnováhy ve zdrojích a potřebě paliv a energie.

– Rozvoj palivoenergetického komplexu s cílem objasnit zákonitosti vzájemného ovlivňování statických a dynamických jevů tohoto komplexu jako celku i jeho jednotlivých komponent, tím prohloubit poznání jeho efektivního rozvoje na příštích 50 let a vypracovat vědecky zdůvodněné strategie energetické politiky státu.

V oblasti aplikovaného výzkumu se doporučuje, aby do státního plánu technického rozvoje byl zařazen úkol

– Výzkum snižování energetické náročnosti ve výrobní i nevýrobní sféře v podmínkách energeticky úsporného rozvoje československého národního hospodářství.

Cílem tohoto úkolu je vytvářet podklady pro přípravu racionalizačních programů včetně stanovení hlavních směrů snižování energetické náročnosti do roku 2010.

V ČSSR existují objektivní podmínky pro koncipování energeticky méně náročného typu rozvoje národního hospodářství. Přitom nejde jen o působení na energetické složky výrobní spotřeby, ale v maximální míře o zaměření na materiálovou i surovinovou část. Vedle vyššího zhodnocování energie v reprodukčním procesu jde zejména o technickou racionalizaci, která je výsledkem interakce vědy a techniky.

Úspory energie v hutích

Hutnictví železa se na celkové spotřebě primárních energetických zdrojů v ČSSR podílí přibližně patnácti procenty, zatímco celosvětový průměr je asi sedm procent. Přes výrazné snížení měrné spotřeby energie na výrobu oceli lze dosáhnout dalších úspor, a to zaváděním plynulého odlévání oceli, výstavbou kyslíkových konvertorů a zařízení pro suché hašení koksu, vývojem nových technologií, vyšším využíváním fyzikálního tepla kovů a optimalizací výrobních technologií. Obdobně je nutno modernizovat výrobu mědi a hliníku, výrobu orientovaných a neorientovaných elektrotechnických ocelí a podstatně rozšířit výrobu polovodičů pro elektroniku. To je základní předpoklad pro to, aby elektrotechnický průmysl mohl snižovat vlastní energetickou náročnost i spotřebu energie u jeho uživatelů.

Pro snížení energetické náročnosti a zvýšení kvality výroby v hutnictví železa je třeba řešit v základním výzkumu:

– výzkum supravodivých magnetických separátorů pro obohacování železných rud,

– výzkum parametrů nutných pro matematický popis pyrometalurgických procesů výroby železa a oceli včetně procesů zpracování ocelí,

– výzkum žáruvzdorných ocelí, litiny a keramických materiálů ekonomicky výhodných pro výrobu rekuperátorů, které pracují trvale s vysokými vstupními teplotami spalin (1000 ^oC),

– výzkum optimálního využití měřicí, řídicí a výpočetní techniky potřebné pro optimalizaci tepelných hutnických procesů,

v aplikovaném výzkumu:

– vývoj technologie pro výrobu ušlechtilých nelegovaných a mikrolegovaných vysocepevnostních svařitelných ocelí v kyslíkových konvertorech,

– vývoj technologie pro výrobu oceli při zpracování surového železa s nízkým obsahem manganu a křemíku,

– vývoj technologií mimopecního odsiřování a odfosfořování surového železa a mimopecního odsiřování oceli,

– vývoj technologie intenzifikace oxidačního údobí tavby pomocí plynného kyslíku a desoxidace oceli při výrobě v elektrických obloukových pecích,

– využití fyzikálního tepla oceli ve válcovnách, strusek v ocelárnách a u vysokých pecí, spalin u hlubinných a ohřívacích pecí rekuperací nebo pro výrobu páry,

– využití vláknitých žáruvzdorných materiálů s malou tepelnou vodivostí při rekonstrukci tavicích a ohřívacích pecí,

– vývoj technologie výroby dynamových a transformátorových plechů s nižšími měrnými ztrátami pro zvýšení užitných vlastností elektrických strojů.

Elektrotechnické materiály

V roce 1980 dosáhly ztráty elektrické energie v rozvodné síti ČSSR úrovně 5,75 TWh, což je téměř 8 % vyrobené elektřiny; lze předpokládat, že obdobné ztráty vznikají ve výkonových elektrických strojích u spotřebitelů. Velká hmotnost a nízká účinnost elektrických strojů točivých i transformátorů snižuje schopnost elektrotechnického průmyslu vyvážet tato zařízení na náročné trhy.

Rozhodující podíl ztrát v elektrických strojích připadá na elektrické obvody. Je to způsobeno nerovnoměrností a horší kvalitou mědi a hliníku jak z dovozu, tak z vlastní výroby a dále zastaralou technologií výroby vodičů. K snížení elektrických ztrát je účelné řešit v oblasti i základního výzkumu:

– zlepšení mechanických vlastností hliníkových vodičů mikrolegováním železem, kobaltem a niklem včetně příslušné technologie tváření a tažení,

v oblasti aplikovaného výzkumu:

– vývojem plynulého odlévání mědi a následujícím tvářením za tepla s cílem dokonalejšího využití kovu, snížení spotřeby energie a zlepšení konduktivity polotovarů pro výrobu vodičů,

v oblasti normalizace:

– revizi norem ČSN na měď a hliník pro výrobu elektrických vodičů, v nichž přípustný obsah doprovodných prvků bude stanoven s ohledem na požadovanou jakost finálního výrobku. Prostředkem k tomuto opatření je, aby zejména dovážená měď a hliník byly tříděny z hlediska čistoty a nejčistší druhy byly využívány pro elektrovodné účely.

Náhrada kovů plasty a kompozitními materiály

Vzhledem k vysoké energetické náročnosti při výrobě a zpracování kovů, jejich vysoké měrné hmotnosti a omezeným užitným vlastnostem (pevnost, odolnost proti korozi a vysokým teplotám) je na prudkém vzestupu ve světě použití plastů a kompozitních materiálů. Ve výrobě plastů a zejména v jejich aplikaci ve strojírenství značně zaostáváme, využívání kompozitních materiálů je na samém začátku.

K snižování energetické náročnosti a ke zvyšování technické úrovně strojírenské i elektrotechnické výroby by ve značné míře přispělo rozšíření množství a sortimentu plastů a kompozitních materiálů. Jejich aplikace současně umožní snižovat váhu strojů a zařízení a uspořit litinu, ocel i barevné kovy. Při tom komplexní energetická náročnost plastů vztažená na 1 m³ hmoty je podstatně nižší než kovových materiálů. Rozšíření surovinové základny lze zajistit krakováním těžších podílů z ropy, které se dnes spalují ve formě topných olejů. Zvláště výhodné je používání kompozitních materiálů, kde k plastickému pojivu lze dodat 40 až 90 % plniva z minerálních surovin (mletý vápenec, kaolin nebo písek). Speciální plasty, jako jsou silikony nebo fluoroplasty jsou významným obohacením materiální základny strojírenského průmyslu pro své mimořádné mechanické vlastnosti a odolnost vůči vysokým teplotám.

Pro dosažení žádoucích změn je nutné, aby

– základní výzkum zintenzivnil orientaci na vývoj plastů a kompozitních materiálů z dostupných organických i minerálních surovin a na optimální využití jejich fyzikálních i chemických vlastností,

– aplikovaný výzkum v oblasti výroby a použití plastů byl koordinován meziresortně tak, aby výrobci respektovali především potřeby uživatelů a uživatelé byli informováni o vývojových směrech výroby,

– bylo určeno vedoucí koordinační pracoviště výzkumu v oblasti kompozitních materiálů, které by zajistilo spolupráci výzkumu v oblasti kovů, silikátů a plastů z hlediska tvorby kompozitních materiálů a v oblasti průmyslu a stavebnictví z hlediska jejich využití. Komise pro energetiku doporučuje, aby touto funkcí bylo pověřeno rozšířené pracoviště oddělení mechaniky složených materiálů Ústavu teoretické a aplikované mechaniky ČSAV.

Nauka o materiálu na středních a vysokých školách musí přihlížet k vazbě materiálové a energetické náročnosti a rozvíjející se materiálové revoluci ve světě. Je třeba zvážit zřízení oboru vysokoškolského studia materiálové inženýrství, které by zajišťovalo výchovu materiálových specialistů v této interdisciplinární problematice.

Významnou formou úsilí o snížení spotřeby energie v národním hospodářství je i péče o ochranu materiálu a boj s korozí. Stále se rozšiřující síť potrubní dopravy a kabelů je ohrožována zejména bludnými proudy ze stejnosměrných proudových soustav městské a železniční dopravy. Proto je třeba věnovat úsilí výzkumu a aplikaci protikorozních opatření a uzákonit povinnost protikorozní ochrany všech v zemi uložených objektů ohrožených korozí.

Stavebnictví

Po průmyslu druhým největším spotřebitelem energie v národním hospodářství jsou lidská sídla, která spotřebovávají 20 až

25 % primárních energetických zdrojů. Těžiště této spotřeby připadá na byty, a to zejména na jejich vytápění. Proto je významnou cestou dosažení úspor energie rozvoj moderních projektů a technologií ve stavebnictví. Základní směry zahrnují budování nové generace obvodových konstrukcí budov s využitím vyšších fyzikálně technických a užitných vlastností, s možností recyklace tepla, s realizací výstavby charakterizované optimalizací existující techniky prostředí a vývojem nové generace této techniky s vysokým stupněm programové regulace, evidence a automatizace i s využíváním neklasických energetických zdrojů. Postupné řešení tohoto cíle bude představovat řešení jak v oblasti teorie, tak v aplikacích a technologiích; bude vyžadovat i změny norem, organizačních pravidel a řízení rozvoje stavebnictví s důrazem na podstatné zvýšení efektivnosti práce ve stavebnictví.

Příkladem dosud neřešených možností pro dosažení úspor je vedle zvýšení tepelného odporu neprůhledných částí obalových konstrukcí budov zejména řešení ztrát energie průhledných částmi.

Ztráty průhlednými částmi však tvoří až 70 % celkových ztrát. Úroveň výroby oken zejména z hlediska jejich vzduchové propustnosti je naprosto nedostatečná. Při tom tento nedostatek lze řešit vhodnou konstrukcí okna a jeho kování, bez zvýšení hmotnosti.

Proto se doporučuje:

– v oblasti základního výzkumu pokračovat ve studiu problematiky tepelných ztrát vzniklých postupem tepla a infiltrací vzduchu včetně metodiky měření u zasklených ploch a jejich rámů,

– v oblasti aplikovaného výzkumu řešit konstrukci oken, zejména jejich rámů a kování a volbou vhodných materiálů pro jejich výrobu (zejména na bázi plastů) s cílem pronikavě snížit tepelné ztráty,

– v oblasti normalizace využívat výsledků základního a aplikovaného výzkumu k revizi norem týkajících se zejména vzduchové propustnosti oken.

Snížením ztrát na jeden měrný byt o hodnotu 2 MWh/byt a rok by se dosáhlo úspory asi 250 kg mp/byt a rok, což na vstupu do tepelného zdroje znamená asi 3000 m³ zemního plynu nebo 1 t hnědého uhlí.

Doprava

Podíl dopravy na konečné spotřebě energie v Československu činí asi 5 %; jde však vždy o spotřebu ušlechtilých forem energie – elektřiny a pohonných hmot. Vzhledem k možnému vývoji energetických zdrojů pro dopravu je nutné:

– snižovat dopravní náročnost národního hospodářství (největší podíl na skládce mají tuhá paliva a stavebniny),

– pokračovat v elektrizaci železniční dopravy tak, aby v 8. a 9. pětiletce bylo elektrifikováno asi 1000 km tratí, při respektování usnesení vlády ČSSR č. 38/65 a 287/76,

– v městské dopravě přednostně rozvíjet trolejbusovou a tramvajovou dopravu,

– v příměstské osobní dopravě v průmyslových oblastech zavádět vratné vlaky sestavené z elektromotorových jednotek,

– modernizovat a rozšiřovat vodní cesty pro dopravu hromadných substrátů,

– v letecké dopravě zavádět do provozu úspornější typy letadel.

V oblasti základního výzkumu je účelné řešit:

– systémy úsporných energetických přeměn k pohonu dopravních prostředků (při rozjezdu, regulaci rychlosti a brzdění vozidel),

– ve spolupráci zemí socialistického společenství použití zemního plynu a vodíku pro pohon povrchových dopravních prostředků,

– vývoj kompozitních materiálů pro konstrukci spalovacích motorů s vysokými teplotami k dosažení větší termické účinnosti a větší mechanické i chemické odolnosti částí.

V oblasti aplikovaného výzkumu je účelné řešit zejména:

– vývoj nových generací elektrických lokomotiv a elektrických motorových železničních jednotek využívajících tyristorové techniky, rekuperace energie a mikroelektronických systémů zejména k zvýšení bezpečnosti; při tom respektovat požadavky uživatelů na vývoj trakčních jednotek menších výkonů a s menšími nápravovými tlaky pro elektrizaci vedlejších tratí,

– vývoj unifikované řady trolejbusů a autobusů včetně velkokapacitního kloubového provedení; u autobusů výkonově: řešením optimálních převodů rozlišit městkou a dálkovou verzi a u dálkové verze řešit tvar karosérie odpovídající vyšší rychlosti,

– při konstrukci všech typů vozidel se spalovacími motory dbát o úsporu pohonných hmot a to jak zvyšováním účinnosti motorů a převodů, tak snižováním jízdních odporů dopravních prostředků.

Elektronizace

Elektronizace národního hospodářství přináší kromě jiných efektů i významné úspory paliv a energie. Ve výrobní sféře jde zejména o:

– úsporu spotřeby elektřiny v trakčních a stacionárních elektrických pohonech a měničích frekvence s využitím výkonových polovodičových systémů,

– úsporu paliv a energie cestou automatizovaných systémů řízení technologických procesů a výrobních agregátů na bázi mikroelektroniky ve všech odvětvích průmyslu,

– nepřímou úsporu paliv a energie cestou automatizace řízení a správy podniků na bázi samočinných počítačů při zaměření na evidenci spotřeby a vyhodnocování účinnosti využívání paliv a energie.

V nevýrobní sféře jde zejména o:

– úspory vzniklé tranzistorizací a automatickou regulaci energetických spotřebičů masové spotřeby,

– úspory vzniklé automatickým programováním a optimalizací režimů osvětlování, vytápění a klimatizace budov s použitím procesorů, čidel, servoelementů a měřičů spotřeby energie.

Racionalizační prostor aplikací elektroniky lze do roku 2000 ocenit možností relativních úspor minimálně 10 mld kWh ročně. Realizaci tohoto programu je však třeba podpořit řadou opatření, vytvořením podmínek pro plánované státní cílové programy a vhodnou ekonomickou stimulací.

V oblasti základního výzkumu je třeba řešit zejména:

– vývoj nových materiálů včetně kompozitních a jejich uplatnění v rozvoji součástkové základny elektroniky, rozvoj teorie kybernetiky, výpočetní a přístrojové techniky,

– výzkum vlivu elektronizace na strukturu společnosti a na změny v požadavcích na přípravu kvalifikovaných pracovníků ve všech oblastech národního hospodářství.

V oblasti aplikovaného výzkumu je nutné přednostně zavádět elektronizaci vedoucí k snížení materiálové a energetické náročnosti technologií a výrobků.

Netradiční zdroje

Ve výzkumu a vývoji zařízení pro získávání nových netradičních zdrojů energie je účelné věnovat pozornost těm, které v československých podmínkách mohou přispět, byť jen jako doplňkové zdroje (několika procenty) do palivoenergetické bilance.

V základním výzkumu je to orientace na využití sluneční energie fotovoltaickou přeměnou na stejnosměrný elektrický proud, využitelný pro elektrolytickou výrobu vodíku nebo přímou fotolýzou vody; současně s tím spojit výzkum akumulace vodíku (zkapalňování, komprese, výroba hydridů) a užití vodíku v energetickém hospodářství.

Dalším směrem základního výzkumu je využití sluneční energie pro výrobu biomasy pro využití v krmivářském a chemickém průmyslu.

V aplikovaném výzkumu je účelné se soustředit na využití sluneční energie k ohřevu užitkové vody a k vytápění budov případně v kombinaci s tepelnými čerpadly, na využití geotermální energie především z termálních vod, v další etapě na základě sovětských zkušeností i ze suchých hornin v oblastech s vyšším tepelným spádem a na výrobu bioplynu z odpadních vod a exkrementů hospodářských zvířat.

Ekologie energetiky

Snižování energetické náročnosti národního hospodářství, které v energetických zdrojích povede k snižování těžby hnědého uhlí a výroby těžkých topných olejů, sníží i exhalace popílku a oxidů síry i dusíku a dalších škodlivin do ovzduší, takže povede i k zlepšení životního prostředí. Přesto je nutné věnovat úsilí zejména snížení sirných exhalací, které ohrožují v Evropě zejména lesy a způsobují padání kyselých dešťů.

V základním výzkumu bude nutno řešit odstraňování síry z uhlí elektromagnetickými seperátory se silným magnetickým polem.

V aplikovaném výzkumu bude nutno řešit:

– odsiřování kouřových plynů magnezitovou metodou společně s SSSR s uvážením využití vedlejších produktů (čistý MgO a sádra),

– fluidní zplyňování nebo spalování uhlí za současného zachycení síry pomocí mletého vápence,

– vysokotlaké a vysokoteplotní zplyňování uhlí pro energetické využití v paroplynovém cyklu, nebo pro syntetickou výrobu zemního plynu, metanolu a jiných chemických látek. Při tom lze využít i síru a další prvky obsažené v hnědém uhlí, nebo v jeho nadloží (železo, titan, berylium, arzén a řadu vzácných zemin).

Závěry

Poznatky, k nimž dospěla Komise prezídia ČSAV pro energetiku, odhalují závažný stav, který je nutno cílevědomě překonávat, aby se energetika znovu nestala úzkým místem a neúměrnou zátěží národního hospodářství. Na panelové diskusi byly vystiženy hlavní cesty, vedoucí k podstatnému snížení energetické náročnosti tvorby národního důchodu (vyjádřené souborně cílovým součinitelem energetické pružnosti kolem 0,15 pro příštích 15 až 20 let). Komise pro energetiku se shodla i na některých nových výzkumných úkolech, které mají vnést nové pozitivní poznání do problémů, které dosud nebyly u nás v potřebné míře (aneb vůbec) řešeny.

Komise pro energetiku nabídla součinnost svých členů při uskutečňování tohoto záměru. Prozíravý rozbor situace a nástin dlouhodobé strategie ve smyslu sjezdových usnesení KSČ dávají plné předpoklady k tomu, aby ČSSR stála v přední linii těch, kteří si uvědomili vliv energetiky na rozvoj moderní společnosti a aby si tak vytvořila postupně solidní základny pro budoucí hospodárný vývoj. Tento vývoj je pak nutné sledovat nejen na poli ekonomiky, techniky a vědy, ale i ve školství, výchově o osvětě.