Способы повышения эффективности. Известно несколько основных способов повышения эффективности производства электроэнергии: утилизация тепловых отходов на электростанциях, комбинированное производство электроэнергии и разработка энергосистем с прямым преобразованием энергии. При этом важно на всех стадиях производства и потребления энергии избежать ее рассеяния и необратимых потерь, повышающих энтропию окружающей среды.
Электростанции с утилизацией тепловых отходов производят и электроэнергию, и тепло. Полученная энергия при сжигании топлива или цепной реакции деления ядер, не превращеннаяполностью в электрическую, используется для обогревания жилых, общественных, промышленных и других зданий.
При комбинированном способе производства электроэнергии в парогазовых установках (ПГУ) к обычной тепловой системе подключается газовая турбина, подобная той, которая широко применяется в турбореактивных двигателях самолетов. В ПГУ электрическая энергия производится в два этапа. На первом этапе газовая турбина приводится в движение потоком нагретых газов – продуктов сгорания топлива, чаще всего природного газа, и с помощью электрогенератора вырабатывается электрический ток. При этом генерируется около 25 % электрической энергии. На втором этапе горячие газы, покидающие газовую турбину, направляются на паровой котел, нагревают его и образовавшийся пар под высоким давлением подается на паровую турбину. Дальнейшая генерация электрического тока производится по той же схеме, что и на традиционных тепловых электростанциях
Хотя физический принцип работы ПГУ сравнительно простой, его практическая реализация удалась далеко не сразу: прошли годы и даже десятилетия, а в камере сгорания газовой турбины не удалось достигнуть относительно высокой температуры – более 600 К, достаточной для эффективной работы паровой турбины. Лишь в последнее время эта технологически сложная задача успешна решена.
Эффективность работы ПГУ сравнительновысока. Например, построенная в 1999 г. в Коттаме (Великобритания) ПГУ-ТЭС на 350 – 400 МВт имеет термический коэффициент полезного действия (КПД)около 60 %, и это не предел. Планируется получить и более высокий КПД. Для сравнения: длятрадиционных тепловых электростанций этотпоказатель примерно в два раза меньше.
В последнее время современные парогазовые технологии внедряются и в России: запущены энергоблоки ПГУ-450 в 2005 г. на Северо-Западной ТЭЦ Ленэнерго, а в 2011 г. – на южной ТЭЦ Санкт-Петербурга. Один такой блок позволил увеличить установленную электрическую мощность станции от750 до 1200 МВт, а тепловую мощность – до 2531 Гкал/ч.
Одна из самых технологически совершенных парогазовых тепловых электростанций (ПГУ-ТЭЦ) введена в эксплуатацию в 2012 г. в Москве в новом районе Солнцево. Ее электрическая мощность 170 МВт, а тепловая – 150 Гкал/ч. В качестве основного и резервного топлива используется природный газ. На других столичных ТЭЦ постепенно внедряются парогазовые технологии, что позволяет при увеличении мощности и существенной экономии топлива ослабить антропогенное воздействие на окружающую среду, что очень важно для большого города.
По сравнению с другими источниками, производящими энергию и тепло, парогазовые установки обладают рядом преимуществ: высокий показатель КПД их – примерно 60 % (для сравнения:для лучших тепловых станциях, построенных в средине прошлого века, он не превышает 30 %); относительно низкая стоимость их строительства, они расходуют значительно меньше воды на единицу выработанной энергии; короткие сроки возведения – от 9 до 11 мес.; компактные размеры парогазовых агрегатов позволяют возводить их в непосредственной близости от потребителя и тем самым уменьшить потери тепловой и электрической энергии; ПГУ экологически более чистые по сравнению с паротурбинными установками.
В проектировании и строительстве парогазовых установок разных модификаций в России накоплен большой практический опыт, который мог бы пригодится для решения энергетических проблем и в других странах.
Модернизированная ПГУ, где в камеру сгорания газовой турбины впрыскивается водяной пар, позволяет снизить концентрацию вредных выбросов оксидов азота и углерода в атмосферу до уровня ниже предельно допустимого, не нарушая технологический цикл парогазового агрегата.
Специалисты считают, что в ближайшее время термический КПД модернизированных угольных энергоблоков тепловых электростанций удастся повысить до 60 % (сейчас он меньше 40 %) и до 75 % для энергоблоков на природном газе с минимальными выбросами оксидов азота и серы. Такие довольно высокие показатели будут достигнуты при дальнейшей модернизации газовых турбин, систем газификации и горячей очистки синтез-газа, топливных элементов и с внедрением новых, перспективных материалов и систем эффективного управления всеми технологическими процессами производства тепла и электроэнергии с минимальными потерями.
Прямое преобразование энергии. Согласно законам классической термодинамики, при каждом преобразовании энергии неизбежно происходят необратимые потери энергии, которая, в конечном итоге превращаясь в тепловую, рассеивается и тем самым повышает энтропию окружающей среды. Чем меньше число преобразований энергии, тем меньше потери. Например, если при нагревании помещения используется непосредственно не тепло топлива, а электрический ток, то энергия теряется дважды – при превращении тепловой энергии топлива в электрическую, а затем ее превращение снова в тепловую. Меньше всего потерь при прямом преобразовании энергии, которая далеко не всегда доходит до потребителя – чаше всего требуется некий посредник-преобразователь, неизбежно приводящийк потерям и, следовательно, к удорожанию потребляемой энергии.
Прямое преобразование химической энергии в механическую происходит на клеточном уровне, например, при сокращении и расширении мышцчеловека, что позволяет ему передвигаться и выполнять ту или иную механическую работу. Подобное преобразование удалось имитировать в лабораторных условиях: синтезирована пластмассовая пленка, которая в щелочном растворе растягивается вдвое и увеличивается в объеме в 8 раз, а в соляной кислоте сокращается. В экспериментах использовались белковые волокна и растворы солей различных концентраций. Деформируемая пленка может совершать полезную механическую работу. Прямое преобразование химической энергии в электромагнитную происходит в разработанных сравнительно недавно химических лазерах, в которых атомы активного вещества возбуждаются за счет энергии химических реакций, порождающих электромагнитное излучение. Однако КПД такого преобразования относительно не высок. Названные способы прямого преобразования энергии вряд ли найдут широкое применение в ближайшем будущем для промышленного производства энергии…
Электроэнергия на тепловых электростанциях производится в результате преобразования внутренней энергии топлива по известной схеме: химическая энергия топлива → тепловая энергия → механическая энергия → электроэнергия.
В отличие от этой многоступенчатой схемы, при прямом преобразовании химической энергии в электрическую исключаются две промежуточные стадии, что приводит к уменьшению рассеяния энергии и, следовательно, к повышению КПД и, в конечном итоге, к сохранению природных ресурсов. Поэтому по мере истощения ископаемых энергоресурсов и ужесточения экологических требований к энергетическим системам и транспорту, как основным потребителям энергоресурсов, вклад химических источников электроэнергии с прямым преобразованием в общие энергоресурсы с течением времени будет возрастать. Предполагается, что производство, например, автомобилей с электрохимическими источниками энергии существенно возрастет уже в ближайшем будущем.
Устройства с прямым преобразованием энергии известны давно. Это и батареи для карманного фонарика, и различные, более энергоемкиеаккумуляторы. В разработанных сравнительно недавно топливных элементах также происходит прямое преобразование энергии. По принципу действия они похожи на электрохимические элементы с той разницей, что электроды топливных элементов служат катализатором и не принимают непосредственного участия в выработке электроэнергии. Так, в водород-кислородном топливном элементе топливо окисляется на аноде, высвобождая электроны. В результате между анодом и катодом возникает разность потенциалов. Анод изготавливается из пористого никель-керамического сплава с включением никелевых частиц, а катод – из того же сплава с внедрением серебра. Из 1 кг водорода в водород-кислородном элементе можно получить энергии в 10 раз больше, чем при сгорании 1 кг бензина в двигателе внутреннего сгорания. При этом образуется вода, а не вредные выхлопные газы, насыщенные диоксидом углерода. Казалось бы, двигатели на водороде обладают явными преимуществами. Почему же они широко не внедряются и не приходят на смену бензиновым двигателям? Для их внедрения необходимо решить две проблемы, связанные с ценой и надежностью. Водород должен быть дороже бензина не более чем в 10 раз, чтобы успешно конкурировать.
Водород получается разными способами: термохимическим превращением ископаемых углеводородов и биомассы, электрохимическим разложением воды, фотоэлектрохимическим и фотобиологическим превращением воды.
Для безопасного хранения водорода в жидком или газообразном состоянии на стационарных и мобильных объектах используются легкие, но прочные стеклопластиковые баллоны. Прошли испытания баки для автомобилей, в которых водород находится в химически связанных металлогидридах. Разрабатываются надежные системы хранения водорода с применением нового материала – углеродных нанотрубок.
Водород в качестве топлива уже применяется в различных видах транспорта: автомобилях с двигателем внутреннего сгорания, топливных элементах для питания колесных электродвигателей, в воздушных, водных и подводных судах, в космической технике.
В 1999 г. фирма ВМW выпустила первые модификации автобусов и легковых автомобилей на водороде и построила для них в аэропорту Мюнхена (Германия) водородную автозаправочную станцию. Совсем недавно фирма «Дженерал Моторс» разработала легковой автомобиль с двигателем на водороде. Одна его заправка обеспечивает пробег 800км. КПД такого двигателя сравнительно высокий – около 85 %, что существенно превышает аналогичный показатель бензинового двигателя. При этом водородный двигатель не производит вредныхвыбросов: отработанные газы – водяные пары.
Для широкого внедрения водородных двигателей необходимо разработать технологию дешевого производства топлива – водорода. Возможно, в ближайшем будущем такую проблему удастся решитьнеобычным способом – извлечением водородного топлива из недр Земли подобно тому, как сейчас добывается нефть. Проведенные недавно исследования наших соотечественников-геологов показали, что в результате электромагнитного зондирования на глубине 5–6 км наблюдается аномальное явление, которое, как предполагается, связано с наличием бескислородных сплавов и соединений на основе кремния, магния и железа. Если такое предположение подтвердится при глубинном бурении, то откроется возможность качать горячий водород прямо из недр Земли, ведь при взаимодействии кремния и магния с водой выделяются водород и тепло. Для этого достаточно пробурить две скважины – в одну закачивать воду, а из другой извлекать нагретый водород. Это позволит в больших объемах производить дешевые энергоресурсы – водород и сопутствующее тепло, и тогда они будут производиться в промышленных масштабах и водородные автозаправки станут обычным и привычным делом.
В последнее время уделяется все больше внимания не только автомобилю с водородным двигателем, но и электромобилю. Не так давно фирма ВМW продемонстрировала новый электромобиль на основе серно-натриевого аккумулятора. Он очень быстро набирает скорость – за 20 сек до 96 км/ч, и пробег между подзарядками составляет немалое расстояние – 270 км. Однако рабочая температура серно-натриевого аккумулятора сравнительно высокая – около 350 °С, что влечет дополнительные затраты и требует повышенных мер безопасности.
Первые электромобили появились не в последние десятилетия, а гораздо раньше. Например, в США к началу XX в. выпускалось 38 % автомобилей с электрическим приводом и питанием от батарей. К 1912 г. американские компании ежегодно производили примерно 6000 электромобилей. Длина их пробега без подзарядки – 80 км, которая не такая уж малая и для современного электротранспорта.
Разрабатываются и легкие электротранспортные средства разного назначения: электромопеды, электророллеры, мини-электромобили на никель-металлогидридных аккумуляторах, обладающих в 2–3 раза большей удельной энергоемкостью, чем свинцово-кислотные.
В последние годы разрабатываются разные видов топливных элементов, которые отличаются составом электродов, электролита и конструкцией. Например, в щелочных топливных элементах электролитом служит гидрооксид калия. В топливных элементах с фосфорной кислотой анод и катод выполнены из мелкодисперсного платинового катализатора, напыленного на углеродную основу, а электролит представляет собой матрицу из карбида кремния, содержащую фосфорную кислоту. Рабочая температура таких элементов – 150 –220 °С. Применяются они в стационарных условиях (отели, офисы) и на разных автомобилях. Топливные элементы с расплавом углеродной соли могут работать на водороде, оксиде углерода, природном газе и дизельном топливе. Их КПД при выработке электроэнергии и тепла достигает 35 %. Высокой стабильностью работы и надежностью отличаются твердооксидные топливные элементы, производство которых налажено в 2003 г. Они рассчитаны наразные виды топлива. Их мощность – до 250 кВт и КПД – 85%. Твердооксидные топливные элементы содержат твердый керамический электролит из тонкого слоя оксида циркония, лантан-манганитовый катод и никель-циркониевый анод. Топливные элементы такого вида эффективно работают в гибридных энергетических системах.
Разрабатываются топливно-гальванические элементы, в которых катодом служит пористая угольно-графитовая пластина с поступающим в него кислородом из воздуха, анодом – алюминиевая пластина, а электролитом – водный раствор поваренной соли. Электрическая подзарядка такому элементу не нужна – энергию он вырабатывает сам в процессе окисления (электрохимического сжигания) металла. КПД такого процесса около 80 %, и при окислении при обычной температуре 1 кг алюминия выделяется примерно столько энергии, сколько при сгорании на воздухе при очень высокой температуре 1 кг каменного угля. Достоинств у таких источников энергии много – простота конструкции, полная безопасность эксплуатации и хорошие удельные энергетические характеристики. Недостаток в основном один – дороговизна анодного материала, которая определяется главным образом большой энергоемкостью его производства. Такой недостаток можно свести к минимуму при внедрении новой технологии производства алюминия. При ее промышленном освоении алюминий и его сплавы станут намного дешевле.
Сравнительно недавно разработаны литий-йодные батареи с прямым преобразованием химической энергии в электрическую. Такие батареи работают на твердом йодном электролите, что позволяет при минимальных размерах батареи получить сравнительно большую емкость и увеличить срок их службы. Они применяются, например, в электрокардиостимуляторах. Срок их службы – около 10 лет, что гораздо больше, чем у обычных батарей.
При разработке новых модификаций преобразователей химической энергии в электрическую уделяется большое внимание повышению их мощности при снижении себестоимости вырабатываемой электроэнергии.
Библиографические ссылки
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов, 13-е изд. М.: Директ-Медиа, 2018.
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Практикум, 6-е изд. М.: Директ-Медиа, 2016.
Карпенков С.Х. Экология. Учебник в 2-х кн., 2-е изд., М.: Директ-Медиа, 2017.
Карпенков С.Х. Экология. Практикум, 2-е изд. М.: Директ-Медиа, 2022.
Карпенков С.Х. Экология. Учебник для бакалавров. М.: Логос, 2014.
Карпенков С.Х. Технические средства информационных технологий. 4-е изд. М.: Директ-Медиа, 2021.
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Справочник. М.: Высшая школа, 2004.
Карпенков С.Х. Незабытое прошлое. М.: Директ-Медиа, 2015.
Карпенков С.Х. Воробьёвы кручи. М.: Директ-Медиа, 2015.
Карпенков С.Х. Русский богатырь на троне. М.: ООО «Традиция», 2019.
Карпенков С.Х. Стратегия спасения. Из бездны большевизма к великой
России. М.: ООО «Традиция», 2018.
Карпенков С.Х. К истории одного преступления // Уничтоженные как класс. М.: ООО «Традиция», 2020. С. 3 – 65.
Карпенков Степан Харланович
