Ефективність виробництва н споживання енергії Сучасне уявлення

31.07.2015

Карпенків С. Концепції сучасного природознавства: Підручник для вузів
ЗМІСТ
Розділ 9. ПРИРОДНИЧО-НАУКОВІ ПРОБЛЕМИ ЕНЕРГЕТИКИ
9.1. Сучасне уявлення про енергії
Природно наукове розуміння енергії

Слово «енергія» в перекладі з грецького означає дію, діяльність. Згідно сучасним уявленням енергія — це загальна кількісна міра різних форм руху матерії. Існують якісно різні фізичні форми руху матерії, здатні взаємно перетворюватися. У середині XX ст. було встановлено важливе властивість матерії: всі її форми руху перетворюються один в одного в строго певних відносинах. Саме така властивість і дозволило ввести поняття енергії як загальної міри руху матерії.

Перетворення енергії підпорядковується фундаментального закону збереження, з якого випливає неможливість створення вічного двигуна. У більшості випадків корисна робота відбувається тільки в результаті певних змін стану оточуючих тіл або систем (горіння палива, падіння води і т. п.). Працездатність тіла, тобто його здатність здійснювати певну роботу при переході з одного стану в інше, визначається енергією. Різним формам фізичного руху відповідають різні види енергії: механічна, теплова, хімічна, електромагнітна, гравітаційна, ядерна і т. д. Однак здатність руху матерії до взаємних перетворень надає даними видами енергії умовний характер. Рух — невід’ємне властивість матерії, тому всі види енергії завжди локалізовані в певних матеріальних об’єктах.

Енергія характеризує здатність матеріальних об’єктів здійснювати роботу, а робота проводиться при дії на об’єкт фізичної сили. Значить, робота — це енергія в дії. Рухається автомобіль, ковзають санки по схилу гори, набігаюча хвиля піднімає пліт і т. д. — все це приклади проведеної роботи, енергії в дії.

Рівень розвитку сучасного суспільства багато в чому визначається виробництвом і споживанням енергії. Завдяки споживанню енергії рухається транспорт, відлітають у космос ракети, готується їжа, обігріваються житла і приводяться в дію кондиціонери, освітлюються вулиці і т. д. Можна сказати: навколишній світ виповнений енергією, яка може бути використана для здійснення різних видів роботи. Енергією володіють люди і тварини, камені і рослини, викопне паливо і дерева, річки і озера, Світовий океан і т. п.

Енергія — джерело добробуту

останнім часом як ніколи, обговорюється питання: що чекає людство — енергетичний голод або енергетичний достаток? На сторінках газет і журналів все частіше з’являються статті про енергетичну кризу. Прагнення володіти джерелом енергії (зазвичай нафти) призводить до виникнення воєн. Газетними сенсаціями стали повідомлення про запуск нових енергетичних установок і нові винаходи в області енергетики. Пропонуються гігантські енергетичні програми, розраховані на залучення величезних матеріальних ресурсів.

Якщо в кінці XIX століття найпоширеніша зараз енергія — електрична — грала допоміжну і незначну роль, то вже в 1930 р. у всьому світі було вироблено близько 300 млрд кВт. год електроенергії. Цілком реальний прогноз, згідно якому в 2002 р. буде вироблено 30 тис. млрд кВт·ч! Гігантські цифри, небувалі темпи зростання! І все одно мало енергії, потреби в ній ростуть швидко.

Розвиток економіки, рівень матеріального добробуту, людей знаходиться в прямій залежності від кількості споживаної енергії. Багато видів трудової діяльності засновані на споживанні енергії. Для видобутку руди, виплавки з неї металу, для будівництва будинку і т. д. потрібна енергія. Потреби людей постійно зростають, споживачів енергії стає все більше — все це призводить до необхідності збільшення обсягів виробленої енергії.

Природні енергоресурси можуть бути одним з основних джерел процвітання життя. В якості прикладу можна назвати нафту, що видобувається в Арабських Еміратах. Цю колись відсталу країну нафтові енергоресурси вивели на сучасний рівень розвитку. Побудовані великі міста, за зовнішнім виглядом і інфраструктурі дуже схожі на багато міст такій розвиненій країні, як США. Проїжджаючи, наприклад по місту Абу-Дабі — столиці Арабських Еміратів, потопаючої в килимовій зелені і багатоколірних кольорах, — важко повірити, що це місто, як і багато інші міста Еміратів, виріс на пустельній землі, крізь піщану товщу якої з великим трудом пробивається верблюжа колючка. Такі міста — эдемские куточки Арабських Еміратів — зросли дуже швидко, за якихось двадцять-тридцять років. Було б помилково думати, що тільки завдяки нафті — основним джерелом енергії — можна перетворити пустельну землю. Продумане державне управління разом з добре налагодженою системою освіти, що включає релігійне виховання, грають при цьому не менш важливу роль у розвитку Арабських Еміратів.

З фундаментального закону природи випливає, що придатну для споживання енергію можна отримати з інших форм енергії в результаті їх перетворення. Вічні двигуни, нібито що проводять енергію і що нізвідки її не беруть, на жаль, неможливі. А структура світового енергогосподарства до сьогоднішнього дня склалася таким чином, що чотири з кожних п’яти проведених кіловат електроенергії виходять в принципі тим же способом, яким користувалася первісна людина для зігрівання, тобто при спалюванні палива, або при використанні запасеної в нім хімічної енергії, перетворенні її в електричну на теплових електростанціях. Звичайно, способи спалювання палива стали набагато складнішими і досконало. Нові фактори — збільшені ціни на нафту, швидкий розвиток атомної енергетики, зростання вимог до захисту навколишнього середовища — зажадали нового підходу до енергетики.

В основі енергетики найближчого майбутнього залишиться теплоенергетика на відновлюваних ресурсах. Однак структура її зміниться. Скоротиться споживання нафти. Істотно зросте виробництво електроенергії на атомних електростанціях. Почнеться розробка поки ще не займаних гігантських запасів дешевого вугілля, наприклад, в Кузнецькому, Кансько-Ачинському, Экибастузском басейнах. Буде широко застосовуватися природний газ, запаси якого в нашій країні порівняно великі.

На жаль, запаси нафти, газу, вугілля зовсім не безмежні. У природних умовах вони формувалися мільйони років, а будуть витрачені сотні років. Сьогодні в світі сталі серйозно замислюватися над тим, як не допустити хижацького розграбування земних багатств. Лише за умов економного, дбайливого споживання природних ресурсів їх може вистачити на століття. На жаль, багато країн живуть сьогоднішнім днем, добуваючи у великій кількості даровані їм природою багатства. Багато з таких країн, особливо в районі Персидської затоки, буквально купаються в золоті, не замислюючись над тим, що через кілька десятків років земні запаси вичерпаються. Що ж станеться тоді — а це рано чи пізно станеться, — коли родовища нафти і газу будуть вичерпані? При цьому слід мати на увазі, що і нафта, і газ споживає не тільки енергетика, але і транспорт, і хімічна промисловість. Відповідь очевидна — пошук нових джерел енергії. Вчені, інженери ще з давніх часів займаються пошуком нових, нетрадиційних джерел, які могли б забезпечити людство енергією. Можливі різні шляхи вирішення даної проблеми. Найбільш очевидний шлях — використання вічних, поновлюваних джерел енергії — енергії поточної води і вітру, океанських приливів і відливів, тепла земних надр, Сонця. Можна назвати ще один привабливий шлях — керований термоядерний синтез, над освоєнням якого старанно працюють вчені багатьох країн.

9. 2. Перетворення та споживання енергії
Способи перетворення енергії

Можна назвати три основних способи перетворення енергії. Перший з них полягає в одержанні теплової енергії при спалюванні палива (копалини або рослинного походження) і споживанні її для безпосереднього обігрівання житлових будинків, шкіл, підприємств і т. п. Другий спосіб — перетворення укладеної в паливі теплової енергії в механічну роботу, наприклад, при використанні продуктів перегонки нафти для забезпечення руху різного устаткування, автомобілів, тракторів, поїздів, літаків і т. д. Третій спосіб — перетворення тепла, що вивільняється при згорянні палива або ділення ядер, в електричну енергію з подальшим її споживанням або для виробництва тепла, або для виконання механічної роботи.

Електроенергія виходить і при перетворенні енергії падаючої води. Електроенергія таким чином відіграє роль своєрідного посередника між джерелами енергії та її споживачами (рис. 9.1). Як посередник на ринку веде до підвищення цін, так і споживання енергії у формі електрики призводить до зростання цін з-за втрат при перетворенні одного виду енергії в інший. У той же час перетворення різних форм енергії в електричну зручно, практично, а іноді це єдино можливий шлях реального споживання енергії. У ряді випадків просто неможливо ефективно використовувати енергію, не перетворивши її в електричну. До відкриття електрики енергія падаючої води (гідроенергія) застосовувалася для забезпечення руху механічних пристроїв: прядильних машин, млинів, лісопилок і т. д. Після перетворення гідроенергії в електричну сфера застосування значно розширювалася, стало можливим її споживання на значних відстанях від джерела. Енергію поділу ядер урану, наприклад, неможливо безпосередньо використовувати без перетворення її в електричну.

Ефективність виробництва н споживання енергії Сучасне уявлення

Викопні види палива, на відміну від гидроисточников, довгий час застосовувалися лише для опалення та освітлення, а не для роботи різних механізмів. Дрова і вугілля, а нерідко і висушений торф спалювалися для обігріву житлових будинків, громадських та промислових будівель. Вугілля, крім того, застосовувався і застосовується для виплавки металу. Вугільне масло, отримане шляхом перегонки вугілля, заливалося в лампи. Тільки після винаходу парової машини в XVIII ст. був по-справжньому розкрито потенціал даного викопного палива, що став джерелом не тільки світла і тепла, але і руху різних механізмів і машин. З’явилися паровози, пароплави з паровими двигунами, які працювали на вугіллі. На початку XX ст. вугілля почали спалювати в топках котлів електростанцій для виробництва електроенергії.

В даний час викопне паливо грає виключно важливу роль. Воно дає тепло і світло, є одним з основних джерел електроенергії і механічної енергії для забезпечення величезного парку численних машин і різних видів транспорту. Не слід забувати, що викопне органічне сировину у величезних кількостях споживається хімічною промисловістю для виробництва великого різноманіття корисної і цінної продукції.

Хімічні процеси і перетворення енергії

Ще в недалекому минулому в багатьох країнах основним джерелом енергії був кам’яне вугілля. Однак з плином часу видобуток нафти зростала, і до середини XX ст. споживання нафти і вугілля зрівнялася. Трикратне збільшення населення в XX ст. супроводжувалося приблизно десятикратним збільшенням споживання всіх видів енергії.

Хімічні процеси — спалювання нафти, природного газу і вугілля — забезпечують виробництво значної частки енергії в усьому світі. При перетворенні світлової і теплової енергії в електричну також неминучі хімічні процеси. Хімічні технології лежать в основі створення високоякісних теплоносіїв і термостійких матеріалів для сучасних енергетичних установок. Все це означає, що прогрес у розвитку енергетики в чому залежить від досягнень сучасної хімії.

Першою енергетичною установкою промислового масштабу була парова машина, створена у другій половині XVIII ст. англійським винахідником Джеймсом Уаттом (1736-1819). Теплова енергія в ній перетворювалась у механічну роботу. З паровою машиною довгий час конкурувало водяне колесо. Набагато пізніше — до середини XIX ст. — була створена гальванічна батарея — перший джерело електричного струму. В пошуках більш ефективних джерел струму для телеграфного зв’язку в 1866 р. німецький електрик Вернер Сіменс (1816-1892) винайшов динамомашину — генератор струму, який став відправною точкою для нових досліджень і розробок численних джерел електричного струму. Електроенергія в ті часи проводилася в невеликих кількостях і була занадто дорогою. Так, наприклад, алюміній і магній, отримані електрохімічним шляхом в середині XIX ст. коштували дорожче золота і платини. З модернізацією генератора електричного струму енергія поступово дешевшала, що сприяло бурхливому розвитку хімічної промисловості.

При перетворенні електричної енергії в теплову була досягнута температура приблизно 3500° С. Таку високу температуру не вдавалося отримати раніше ніякими іншими способами. Тільки із застосуванням електроенергії були реалізовані методи відновлення металів і виплавлені в чистому вигляді багато метали, а також синтезовані не існуючі в природних умовах сполуки металів з вуглецем — карбіди. На хімічних заводах, крім того, стало можливим здійснювати електрохімічне розкладання речовини у великих промислових масштабах. Так відкривалися нові шляхи розвитку різних галузей хімічної промисловості, що виробляє різноманітні синтетичні неорганічні речовини.

В даний час хімічна промисловість — одна з найбільш енергоємних галузей. Кількість енергії, необхідне для промислового виробництва різної продукції, залежить від її виду, що наочно представлено на рис. 9.2, де дано енерговитрати Q, виражені в тоннах природного нафти на 1 т продукту. Наприклад, для виробництва 1 т карбіду кальцію або хлору потрібно не менше 3500 кВт електроенергії. Витрата електроенергії на виробництво алюмінію і магнію дорівнює 14-18 кВт на 1 т. В загальних витратах на виробництво багатьох видів промислової продукції на частку електроенергії припадає 18-25%. Для карбіду кальцію витрати на електроенергію складають майже половину його собівартості, для полівінілхлориду та поліетилену — 35-50%, для ацетальдегіду — 45-70%. З кожною тонною азотного добрива в землю «закопується» майже 14 000 кВт енергії.

Ефективність виробництва н споживання енергії Сучасне уявлення

Швидкий розвиток хімічної промисловості і матеріального виробництва взагалі вимагає не тільки зростання виробництва електроенергії, але все більшою мірою її раціонального споживання.

9.3. Ефективність виробництва і споживання енергії

Довгий час невисока ефективність перетворення теплової енергії в корисну роботу пов’язувалася з недосконалістю самого механізму перетворення. З розвитком термодинаміки стало ясно, що існує обмеження повного перетворення всієї теплової енергії в корисну роботу. Таке обмеження випливає з фундаментальних законів термодинаміки і обумовлюється незворотністю теплових процесів. До теперішнього часу значна частина всіляких удосконалень, спрямованих на підвищення ефективності виробництва електроенергії з використанням пари, в основному вже здійснена. Якщо ККД перших парових машин становив 2-5%, то ККД сучасних енергетичних систем — теплових элетростанций, що працюють на тому чи іншому виді палива і виробляють пар для подальшого перетворення його енергії за допомогою турбогенератора в електричну, — сягає близько 40%. Атомні електростанції також виробляють пар, що подається на турбогенератори. ККД їх не перевищує 32%, а це означає, що лише 32% теплової енергії, що виділяється при поділі урану, перетворюється в електричну.

Виробництво електричної енергії навіть із застосуванням сучасних енергетичних систем супроводжується великими втратами тепла. Особливо великі втрати тепла, коли електрична енергія знову перетворюється в тепло або інші види енергії на місці споживання. Істотними втратами супроводжується і передача електроенергії, особливо на великі відстані. В останні десятиліття інтенсивно ведуться роботи по синтезу електропровідних матеріалів провідників для передачі електроенергії з мінімальними втратами. Вже синтезовані високотемпературні надпровідні матеріали. Однак для передачі електроенергії потрібні такі провідники, надпровідний властивість яких виявлялося б не при низьких, а при звичайних температурах.

До великих втрат призводить і споживання електроенергії в хімічній промисловості. Наприклад, енергетичний ККД для процесу синтезу аміаку становить 25-42%, хоча споживання енергії для такого процесу за останні 50-60 років зменшилася більш ніж на 50%. Для звичайних способів отримання вінілхлориду він дорівнює 12%, а для його синтезу NO — всього лише 5-6,5%. У більшості випадків високотемпературні процеси супроводжуються втратами енергії до 60-70%. Втрати енергії в хімічному виробництві обумовлюються цілком зрозумілим об’єктивними факторами, пов’язаними з рівнем розвитку не тільки хімічних технологій, але і природознавства в цілому. Однак є й суб’єктивні причини. Одна з них — дуже часто розробляються методи перетворення речовин з високим відсотком виходу кінцевої продукції без урахування енергетичної ефективності технологічних процесів. У зв’язку з цим багато технологічні процеси мають порівняно високий відсоток виходу кінцевої продукції, але низький енергетичний ККД.

Підвищення енергетичного ККД процесів і апаратів — одна з найважливіших завдань удосконалення хімічної технології. Можливі різні способи її розв’язання — поліпшення умов хімічних реакцій, зменшення числа стадій технологічного процесу, здійснення реакцій при невисоких, тобто звичайних температурах і тисках, наближення хімічних процесів до біологічних і, нарешті, розробка нових технологічних прийомів.

Проблема енергозбереження охоплює не тільки хімічні процеси, але і весь технологічний цикл виробництва кінцевого продукту, що включає дуже важливі стадії — видобуток і первинну переробку природної сировини.

Нові методи, модифіковані установки і апарати, новітні технології дозволяють поступово вирішувати проблему енергозбереження. Звичайно, на всіх діючих підприємствах всіма можливими заходами необхідно скорочувати марне розсіювання енергії. Такі заходи відомі: це оптимізація виробничих процесів, утилізація розсіяного тепла, поліпшення ізоляції та герметичності, оптимізація процесів випаровування і конденсації і т. д. Збереження енергетичних ресурсів — невід’ємна і важлива задача всіх галузей матеріального виробництва.

9.4. Теплові електростанції

Суттєва частка електроенергії виробляється на теплових електростанціях, на яких викопне паливо використовується для отримання тепла та пари, що подається на турбогенератори, що виробляють електроенергію. Паливом служить вугілля, нафту або природний газ, а на атомних станціях — ядерне пальне, що виділяє тепло при поділі ядер.

Принципи роботи різних теплових станцій в чому збігаються і різняться способом отримання тепла від первинного джерела — органічного або ядерного палива. В результаті спалювання палива або ядерних реакцій виділяється тепло, яке використовується для нагрівання води та отримання пари (рис. 9.3). Отриманий пар з високими температурою і тиском подається на турбіну, що обертає якір генератора електричного струму. Відпрацьований пар зі зниженими температурою і тиском, залишаючи турбіну, направляється в конденсатор, через який пропускається охолоджуюча вода для перетворення пари у воду. У процесі конденсації пари охолоджуюча вода нагрівається, ця вода скидається у водойму, звідки вона забиралася, або пропускається через градирні для охолодження і повторного використання в конденсаторі. Вода, що утворилася з сконденсованого пара, що повертається в котел, і описаний вище цикл повторюється.

Ефективність виробництва н споживання енергії Сучасне уявлення

На сучасної паливної станції з ККД близько 40%, що працює на вугіллі, на кожну одиницю виробленої електричної енергії втрачається 1,5, а на атомній станції 2,33 одиниці тепла. Теплові скиди на атомних електростанціях передаються в основному води, що охолоджує конденсатори. На електростанціях на органічному паливі охолоджуючої воді передається близько 75% теплових відходів, а решта невикористане тепло відводиться через димові труби.

Величезна кількість виробленої електричної енергії неминуче тягне за собою скидання надзвичайно великих обсягів теплових відходів в навколишнє середовище: річки, водойми та атмосферу. Сбрасываемое тепло призводить до тепловим забрудненням навколишнього середовища. Теплове забруднення (переважно води) супроводжує процес охолодження відкритого типу, при якому охолоджуюча вода надходить із зовнішнього резервуару (басейну річки, водойми) і потім в нагрітому стані після використання для конденсації пара повертається знову в той же резервуар, звідки вона забиралася. Охолодження іншого типу — із замкнутим циклом, коли тепло, що отримується охолоджуючої водою, розсіюється в атмосфері за допомогою градирень (веж, в яких вода охолоджується шляхом розбризкування та випаровування) — призводить до теплового забруднення в основному атмосфери. Результати досліджень показують, що теплове забруднення води, атмосфери і порушує життєдіяльність екосистем. Крім того, теплові електростанції — джерело колосальної кількості вуглекислого газу, двоокису сірки та інших газів, що забруднюють атмосферу. Все це означає, що виробництво енергії на теплових станціях — не самий кращий і ефективний спосіб виробництва енергії. В зв’язку з цим продовжується пошук більш ефективних джерел енергії.

Короткий опис статті: види енергії Перетворення та споживання енергії Теплові електростанції Карпенків Концепції сучасного природознавства Підручник для вузів

Джерело: Ефективність виробництва н споживання енергії Сучасне уявлення про енергії

Також ви можете прочитати