Карпенков С. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов

ОГЛАВЛЕНИЕ

9.5. Повышение эффективности энергосистем

Способы повышения эффективности производства энергии

Известно несколько способов повышения эффективности производства электроэнергии: создание тепловых электростанций с утилизацией тепловых отходов, применение комбинированного способа производства электроэнергии, создание магнитогидродинамических установок (МГД-генераторов), разработка энергосистем с прямым преобразованием энергии.
На тепловых электростанциях с утилизацией тепловых отходов тепло, полученное при сжигании топлива или цепной реакции деления и не способное превратиться в электрическую энергию, используется для обогревания жилых домов, общественных и промышленных зданий и т. п. Такие станции производят и электроэнергию, и тепло.
При комбинированном способе получения электрод-энергии обычная тепловая система дополняется газовой турбиной (рис. 9.4). Газовая турбина широко применяется в двигателях реактивных самолетов. На электростанциях она вращается не паром, а потоком газов – продуктов сгорания керосина или природного газа. Газовая турбина вращает якорь электрогенератора, вырабатывающего электрический ток. При этом в электричество преобразуется около 25% тепловой энергии, образующейся при сжигании горючего. Горючие газы, покидающие газовую турбину, нагревают паровые котлы, и полученный пар подается на паровую турбину.

Одно из усовершенствований тепловых электростанций заключается в том, что образующиеся при сгорании топлива горячие газы используются в МГД-генераторах. В горячие газы добавляется металлический калий, который легко ионизируется с образованием заряженных частиц. Поток горячего газа с заряженными частицами, представляющий собой низкотемпературную плазму, направляется в специальный канал, окруженный катушками с током, создающими магнитное поле. При движении и перераспределении заряженных частиц в магнитном поле возникает электрический ток, снимаемый электродами, расположенными вдоль канала. После выхода из канала горячие газы служат для получения пара, направляемого в турбину, соединенную с генератором, дающим электрический ток. В МГД-генераторе энергия электропроводящей низкотемпературной плазмы напрямую преобразуется в электрическую. Предполагается, что комбинация МГД-генератора с обычной теплоэлектрической системой позволяет получить КПД до 65%. Работы по практическому применению МГД-генераторов ведутся с конца 50-х гг. XX в. Однако пока достигнут КПД не выше 40%, поэтому они не нашли широкого промышленного применения.

Проблемы прямого преобразования энергии

Прямое преобразование химической энергии в механическую, происходит, например, при мышечной деятельности живых существ. Подобное превращение удалось испытать в лабораторных условиях: синтезирована пластмассовая пленка, которая под влиянием щелочей растягивается вдвое и увеличивается в объеме в 8 раз, а под действием соляной кислоты сокращается. В результате такой деформации пленка может совершать полезную механическую работу. Для возбуждения процессов сжатия и расширения в лабораторных моделях применялись коллогенные белковые волокна в сочетании с растворами солей различных концентраций.
Прямое преобразование химической энергии в электромагнитную происходит в созданных сравнительно недавно химических лазерах, в которых атомы возбуждаются за счет энергии химических реакций. Однако КПД такого преобразования очень низок. Приведенные способы прямого преобразования энергии не являются примером промышленного производства энергии.
Производство электроэнергии на тепловых станциях осуществляется по классической схеме: химическая энергия топлива –> тепловая энергия –> механическая энергия –> электроэнергия. При прямом преобразовании химической энергии в электрическую повышается КПД и экономятся материалы. Поэтому по мере истощения ископаемых энергоресурсов и ужесточения требований к экологической чистоте энергетических установок и транспорта, как одного из основных потребителей энергоресурсов вклад химических источников электроэнергии с прямым преобразованием в общие ресурсы энергии с течением времени будет возрастать. Предполагается, что производство автомобилей с электрохимическими источниками энергии существенно возрастет уже в ближайшем столетии (рис.9.5).

Примеры широко применяемых устройств прямым преобразованием энергии известны давно. Это и батареи для карманного фонарика, и различного рода аккумуляторы. В предложенных сравнительно недавно топливных элементах также происходит прямое преобразование химической энергии в электрическую. Принцип их действия аналогичен принципу действия электрохимических элементов. Однако электроды топливных элементов служат катализаторами и не принимают непосредственного участия в выработке электроэнергии. Например, в водородкислородном топливном элементе топливо окисляется на аноде, высвобождая электроны (рис. 9.6). В результате между анодом и катодом возникает разность потенциалов. Анод изготовли-вается из пористого никелькерамического сплава с включением никелевых частиц, а катод – из того же сплава с включениями частиц серебра. Из 1 кг водорода в водородкислородном элементе можно получить энергии в 10 раз больше, чем при сгорании 1 кг бензина в двигателе внутреннего сгорания. В таком элементе образуется вода, а не вредные выхлопные газы. Почему же они широко не внедряются и не приходят на смену бензиновым двигателям? Ответ на данный вопрос включает пока нерешенные проблемы, связанные с ценой и надежностью. Во-первых, водород должен быть дороже бензина не более чем в 10 раз, чтобы успешно с ним конкурировать. Во-вторых, несмотря на оригинальные предложения по накоплению водорода в некоторых гидридах металлов, проблема его безопасного хранения и транспортировки требует дальнейших технических совершенствований.

И все же в последние годы автомобилю с электрическим двигателем, т. е. электромобилю уделяется все больше внимания. Не так давно германская фирма BMW продемонстрировала новый электромобиль на основе серно-натриевого аккумулятора. Он набирает за 20 с скорость 96 км/ч, и пробег между подзарядками составляет 270 км. Однако рабочая температура серно-натриевого аккумулятора сравнительно высокая – около 350° С, что делает его взрыво- и пожароопасным.
Практический интерес представляют топливно-гальванические элементы, особенно воздушно-алюминиевые, в которых катодом служит пористая угольно-графитовая пластина с поступающим в него кислородом воздуха, анодом – пластина из алюминиевого сплава, а электролитом, к примеру, – водный раствор поваренной соли. Электрический подзаряд такому элементу не нужен, энергию он вырабатывает сам в процессе окисления (электрохимического сжигания) металла. Идет такой процесс окисления с КПД около 80%, и сгоревший при комнатной температуре 1 кг алюминия способен выделить примерно столько энергии, сколько даст 1 кг каменного угля, сгорая на воздухе при очень высокой температуре. Достоинств у таких источников энергии много: и простота конструкции, и полная безопасность эксплуатации, и хорошие удельные энергетические характеристики. А недостаток, в основном, один – дороговизна анодного материала, которая определяется главным образом большой энергоемкостью его процесса производства. Такой недостаток можно свести к минимуму при внедрении, например, новой технологии получения алюминия, (см. рис. 9.7). При промышленном освоении такой технологии алюминий и его сплавы станут намного дешевле.

Сравнительно недавно разработаны литий-йодные батареи с прямым преобразованием химической энергии в электрическую. В обычных батареях, в которых преобразуется энергия химического процесса взаимодействия цинка и оксида ртути, используется водный электролит. Литий-йодные батареи работают на твердом йодном электролите, что позволяет при минимальных их размерах батареи получить сравнительно большую емкость и увеличить срок их службы. Такие батареи применяются в электрокардиостимуляторах, обеспечивающих нормальный ритм работы сердца. Срок их службы в несколько раз больше, чем обычных батареек, и составляет до 10 лет, а это означает, что данные батареи позволяют сократить число хирургических операций для вживления электрокардиостимулятора.
При разработке новых модификаций преобразователей химической энергии в электрическую уделяется большое внимание повышению их мощности при снижении себестоимости вырабатываемой ими электроэнергии.

9.6. Гидроисточники и геотермальные источники энергии

В последнее время возрастает интерес к неорганическим источникам энергии, т. е. источникам, в которых не принимает участие химический процесс – горение. К ним относятся гидроисточники (гидроэлектростанции, гидроаккумулирующие электростанции, приливные электростанции), геотермальные источники, гелиоисточники, ветроустановки и атомные электростанции.

Гидроэлектростанции

Принцип работы гидроэлектростанций основан на преобразовании потенциальной энергии падающей воды в кинетическую энергию вращения турбины, связанной с генератором, преобразующим кинетическую энергию в электрическую. Первые гидроэлектростанции относились к проточному типу, при котором вода реки не подпруживалась, а просто пропускалась через турбину. Для них требуется большой перепад   уровней реки, например как на Ниагарском водопаде, где и была построена первая гидроэлектростанция  подобного типа. На современных гидроэлектростанций возводятся громадные плотины для увеличения объема воды, равномерно пропускаемой через турбины (см. рис. 9.8). Плотина не только создает вместилище для накопления воды, но и повышает ее уровень. При этом увеличивается потенциальная энергия воды, что приводит к возрастанию кинетической энергии вращения турбины и в конечном результате – к увеличению вырабатываемой электроэнергии. Вода из водохранилища по напорному трубопроводу направляется на горизонтально вращающиеся лопости турбины, соединенной с генератором. Обычно на гидроэлектростанции используется много турбогенераторных агрегатов. КПД гидроэлектростанций составляет 60–70%, т. е. 60–70% энергии падающей воды преобразуется в электрическую энергию.

Сооружение гидроэлектростанций обходится дорого, и они требуют эксплуатационных расходов, но зато работают на «бесплатном топливе». Первоисточником гидроэнергии служит Солнце, испаряющее воду из океанов, морей, озер и рек. Водяной пар конденсируется в виде осадков, выпадающих в возвышенных местах, с которых конденсированная вода стекает вниз в моря. Гидроэлектростанции встают на пути стока и преобразуют энергию движущейся воды в электрическую.
Однако гидроэлектростанции не совсем уж безвредны для окружающей среды. Плотины и водохранилища выводят из сельскохозяйственного оборота затопленные земли. Их площадь чрезвычайно велика особенно на равнинных реках: естественный перепад уровней воды в них небольшой. Громадные площади водохранилищ способствуют образованию необычно большого количество паров воды в атмосфере, что неизбежно приводит к нарушению естественных погодных условий. Плотины отрицательно влияют на качество воды, накапливаемой в водохранилищах. В зависимости от сезона накопленная вода может содержать мало растворенного кислорода и оказаться неблагоприятной средой для рыб и других живых организмов. Кроме того, спускаемая вода разрушает русло реки. В то же время гидроэлектростанции, построенные на реках с естественным перепадом уровня воды – на реках с водопадами, горных реках, – наносят гораздо меньший ущерб окружающей среде.

Гидроаккумулирующие электростанции

Они служат для аккумулирования избыточной энергии, вырабатываемой не относящимися к гидроисточникам электростанциями, когда потребление электроэнергии падает, например, ночью. При аккумулировании вода перекачивается из нижнего водоема в верхний (рис. 9.9). При этом поступающая извне электрическая энергия преобразуется в потенциальную энергию воды в верхнем водоеме. В часы пиковой нагрузки в электросети вода из верхнего водоема через гидроагрегаты перетекает в нижний, и запасенная потенциальная энергия воды преобразуется в электрическую. Эффективность гидроаккумулирующих электростанций не очень высокая: только примерно две трети энергии, потраченной на накачку воды, возвращается обратно в электросеть. Строительство таких станций требует больших капиталовложений, поэтому они не получили широкого распространения. Обсуждаются идеи гидроаккумулирования энергии с использованием подземных водоемов естественного происхождения.

Приливные электростанции

Морские приливы, долгое время оставаясь загадкой, приводили к мысли, что их громадную энергию можно использовать. Морские приливы – это периодические колебания уровня, обусловленные силами притяжения Луны и Солнца вместе с центробежными силами, вызванными вращением системы Земля – Луна и Земля – Солнце. Самая большая из таких сил – лунная – определяет в основном характер морских приливов. Обычно прилив и отлив бывают два раза в сутки. Максимальное поднятие воды называется полной водой, минимальное – малой водой. Величина полной воды в открытом океане около 1 м, у берегов – до 18 м (залив Фанди в Атлантическом океане).
Приливные электростанции преобразуют энергию морских приливов в электрическую. Одна из разновидностей устройств приливных электростанций состоит из плотины с встроенными в придонной ее части турбогенераторами. Подобная приливная электростанция с таким устройством сооружена в 1967 г, на реке Ране во Франции, где полная вода достигает около 13м. При открытых донных затворах плотины уровень полной воды по обе стороны плотины одинаков. В начале отлива поток воды, обращенный к суше пропускается через турбогенераторы, вырабатывающие электроэнергию. При малой воде затворы закрываются до тех пор, пока разница уровней не станет достаточной для эффективной работы турбогенераторов. Затем поток полной воды пропускается через турбогенераторы в направлении к суше. Данный цикл потом повторяется, и энергия таким образом вырабатывается при отливе и приливе.
Построенные приливные электростанции во Франции, России, Китае доказывают, что приливную электроэнергию можно производить в промышленных масштабах. Выработка энергии на них не требует никакого топлива, и себестоимость энергии сравнительно низка. Однако стоимость строительства приливных электростанций относительно высока: она примерно в 2,5 раза больше стоимости сооружения гидроэлектростанции той же мощности. Одно из главных преимуществ приливных электростанций заключается в том, что они наносят минимальный ущерб окружающей среде.

Геотермальные источники энергии

С давних пор люди знают о стихийных проявлениях гигантской энергии, таящейся в недрах земного шара. Память человечества хранит предания о катастрофических извержениях вулканов, унесших миллионы человеческих жизней, неузнаваемо изменивших облик многих мест на Земле. Мощность извержения даже сравнительно небольшого вулкана колоссальна, она многократно превышает мощность самых крупных энергетических установок, созданных руками человека. Правда, о непосредственном использовании энергии вулканических извержений говорить не приходится, нет пока у людей возможностей обуздать такую непокорную стихию, да и, к счастью, извержения происходят не везде и не так уж часто. Но все же – это проявления неисчерпаемой энергии, таящейся в земных недрах, крохотная доля которой находит выход через огнедышащие жерла вулканов.
Маленькая европейская страна Исландия (в переводе – «страна льда») полностью обеспечивает себя помидорами, яблоками и даже бананами! Многочисленные исландские теплицы получают энергию от Земли – других местных источников энергии в Исландии практически нет. Эта страна очень богата горячими источниками и знаменитыми гейзерами – фонтанами горячей воды, вырывающейся из-под земли. И хотя не исландцам принадлежит приоритет в использовании тепла подземных источников (еще древние римляне к знаменитым баням – термам Каракаллы– подвели воду из-под земли), жители этой маленькой северной страны эксплуатируют подземную котельную очень интенсивно.
Но не только для отопления черпают люди энергию из глубин земли. Уже давно работают электростанции, использующие горячие подземные источники. Первая такая электростанция, совсем еще маломощная, была построена в 1904 г. в небольшом итальянском городке Лардерелло, названном так в честь французского инженера Лардерелли, который в 1827 г. составил проект использования многочисленных в этом районе горячих источников. Постепенно мощность электростанции росла, в строй вступали все новые агрегаты, использовались новые источники горячей воды и в наши дни мощность станции достигла уже внушительной величины – 360 тыс. кВт. В Новой Зеландии существует такая электростанция в районе Вайракеи, ее мощность 160 тыс. кВт. В 120 км от Сан-Франциско в США производит электроэнергию геотермальная станция мощностью 500 тыс. кВт.
Подземные воды, как «живая кровь» планеты, переносят природное тепло Земли на поверхность. Обладая большой подвижностью и высокой теплоемкостью, они играют роль аккумулятора и теплоносителя. Они либо накапливаются в водоносных горизонтах, либо выходят на поверхность земли теплыми или горячими источниками, а иногда вырываются в виде пароводяных смесей. Это гейзеры и фумаролы (специалисты их называют парогидротермами). Выходы парогидротерм – очень эффектное зрелище: с шипением и свистом струи пара или перегретой воды вырываются из-под земли и вздымаются вверх. Так, гейзер «Старый служака» в Йеллоустонском парке регулярно, через каждые 53– 70 минут выбрасывает струю горячей (более 90° С) воды на высоту 30–45 м. А самый крупный гейзер в камчатской Долине гейзеров – «Великан» – выдает струю горячей воды на 30–35 м вверх, а столб пара вздымается намного выше – до 300–400 м.
Парогидротермальные месторождения известны в Исландии, Гренландии, Новой Зеландии, Индонезии, Японии, США, Чили, Сальвадоре и других странах. Тепло подземных вод широко используется в Италии, где уже с начала века работают геотермические станции. Наиболее крупные месторождения – в Тоскане и в районе Неаполя, где скважины выводят пароводяную смесь с температурой 200– 245° С.
В Исландии, которую называют страной вулканов и гейзеров, около 7 тыс. горячих источников. Их общая мощность более 1 млн ккал/с. Рейкьявик (столица Исландии), расположенный вблизи Северного полярного круга, полностью теплофицирован за счет термальных вод. Воды горячих источников здесь используются не только для отопления, но и для городских теплиц и оранжерей, в которых выращивают цветы, овощи и даже цитрусовые.
В нашей стране горячими источниками особенно богаты Камчатка и Курильские острова – районы современного вулканизма. Источники, фонтанирующие паром и кипятком, известны в этих краях давно (некоторые из них описаны еще в 40-х годах XVIII в. С. Крашенинниковым), однако разведочное бурение началось там лишь в 1958г. В районе реки Паратунки была сооружена первая в нашей стране геотермальная электростанция, а с 1967 г. на Паужетских термальных источниках в 200 км от Петропавловска-Камчатского действует гелиотермальная электростанция мощностью 15 тыс. кВт.
Использовать воду с температурой ниже 100°С для энергетики считается экономически невыгодным, но она вполне пригодна для теплофикации: отопления домов, обогрева теплиц, для бань, бассейнов. Сотни городов и населенных пунктов России, Украины, Средней Азии, Закавказья перешли на такое естественное теплоснабжение. Это чрезвычайно выгодно экономически. Но главное достоинство тепла, получаемого из недр, – экологическая чистота и возобновимость. Разумеется, неконтролируемый забор теплой воды может рано или поздно привести к истощению источников. Чтобы этого не случилось, разработана методика замкнутой системы, по которой остывшая или обычная холодная вода возвращается в высокотемпературный пласт. По одной скважине закачивают холодную, а по другой получают уже горячую воду. Создается надежная, практически «вечная» замкнутая циркуляция. Подземная котельная такого типа создана, например, в Грозном.
По весьма приближенным оценкам, прогнозные запасы термальных вод (от 50 до 250° С) нашей страны составляют не менее 20 млн. м3 воды в сутки. Этот огромный резерв экологически чистой тепловой энергии может заменить до 150 млн т органического топлива. Одна из самых мощных скважин в Дагестане (в селе Берикей) дает огромный приток горячей воды, используемой для обогрева. В год эта скважина выносит с водой 330 т йода и 450 т брома (это примерно 3% мирового производства брома). В нашей стране практически весь бром и большую часть йода добывают из подземных вод, не зря их называют промышленными подземными водами.
.

Комментарии (3)
Обратно в раздел Наука