Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Karpenkov / Карпенков, Степан - Концепции современного естествознания

.pdf
Скачиваний:
309
Добавлен:
11.03.2016
Размер:
4.89 Mб
Скачать

значительных расстояниях от источника. Электрическая энергия как посредник играет важную роль и при преобразовании ядерной энергии.

Ископаемые виды топлива в отличие от гидроисточников долгое время применялись лишь для отопления и освещения, а не для работы различных механизмов. Дрова и уголь, нередко и высушенный торф сжигались для обогревания жилых, общественных и промышленных зданий. Уголь, кроме того, применялся и применяется для выплавки металла. Угольное масло, полученное путем перегонки угля, заливалось в лампы. Только после изобретения паровой машины в XVIII в. был по-настояще- му раскрыт потенциал угля как бесценного ископаемого топлива, ставшего источником не только тепла и света, но и работы различных механизмов и машин. Появились паровозы, пароходы с паровыми двигателями на угле. В начале XX в. уголь стали сжигать в топках котлов электростанций для производства электроэнергии.

В настоящее время ископаемое топливо играет исключительно важную роль. Оно дает тепло и свет, является одним из основных источников электроэнергии и механической энергии для обеспечения огромного парка многочисленных машин и различных видов транспорта. Не следует забывать, что ископаемое органическое сырье в огромных количествах потребляется химической промышленностью для производства многих видов полезной и ценной продукции.

Химические процессы и преобразование энергии. В недалеком прошлом во многих странах основным источником энергии был каменный уголь. Однако с течением времени добыча нефти возрастала и к середине XX в. потребление нефти и угля сравнялось. Трехкратное увеличение населения в XX в. сопровождалось приблизительно десятикратным увеличением потребления всех видов энергии.

Химические процессы — сжигание нефти, природного газа и угля — обеспечивают производство значительного объема энергии во всем мире. Световая и тепловая энергии преобразуются в электрическую также путем химических превращений. Химические технологии лежат в основе создания высококачественных теплоносителей и термостойких материалов для современных энергетических установок. Следовательно, прогресс в развитии энергетики во многом зависит от достижений современной химии.

Первой энергетической установкой промышленного масштаба была паровая машина, созданная во второй половине XVIII в. английским изобретателем Джеймсом Уаттом (1736—1819). Тепловая энергия в ней превращалась в механическую работу. С паровой машиной долгое время конкурировало водяное колесо. Гораздо позднее — к середине XIX в. — была создана гальваническая батарея — первый источник электрического тока. В поисках более эффективных источников тока для телеграфной

371

связи в 1866 г. немецкий электроник Вернер Сименс (1816—1892) изобрел динамомашину — генератор тока, ставший отправной точкой для новых исследований и разработок многочисленных источников электрического тока. Электроэнергия в те времена производилась в небольших количествах и была слишком дорогой. Так, например, алюминий и магний, полученные электрохимическим путем в середине XIX в., стоили дороже золота и платины. С модернизацией генератора электрического тока энергия постепенно дешевела, что способствовало бурному развитию химической промышленности.

При превращении электрической энергии в тепловую была достигнута довольно высокая температура — около 3500 °С, что ранее не удавалось получить никакими другими способами. Это позволило выплавить в чистом виде многие металлы и синтезировать не существующие в природе соединения металлов с углеродом — карбиды. Кроме того, на химических заводах стало осуществляться электрохимическое разложение вещества в крупных промышленных масштабах. Применение электрического тока способствовало развитию разных отраслей химической промышленности, производящей многообразные синтетические неорганические материалы.

372

В настоящее время химическая промышленность — одна из самых энергоемких отраслей. Количество энергии, необходимое для промышленного производства различной продукции, зависит от ее вида, что наглядно представлено на рис. 9.4, где даны энергозатраты Q, выраженные

втоннах природной нефти на 1 т продукта. Например, для производства

1т карбида кальция или хлора требуется не менее 3500 кВт • ч на электроэнергии. Расход электроэнергии на производство алюминия и магния составляет 14—18 кВт • ч на 1 т. В общих затратах на производство многих видов промышленной продукции на долю электроэнергии приходится 18—25%. Для карбида кальция затраты на электроэнергию составляют почти половину его себестоимости, для поливинилхлорида и полиэтилена 35—50%, для ацетальдегида 45—70%. С каждой тонной азотного удобрения в землю «закапывается» почти 14 000 кВч • ч энергии.

Быстрое развитие химической промышленности и материального производства вообще требует не только роста выработки электроэнергии, но все в большей степени ее рационального потребления.

9.3.ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА

ИПОТРЕБЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ

Долгое время невысокая эффективность преобразования тепловой энергии в полезную работу связывалась с несовершенством самого механизма преобразования. С развитием термодинамики стало ясно, что существует принципиальное ограничение полного преобразования всей тепловой энергии в полезную работу. Такое ограничение следует из фундаментальных законов термодинамики и обусловливается необратимостью тепловых процессов. К настоящему времени значительная часть всевозможных усовершенствований, направленных на повышение эффективности производства электроэнергии с использованием пара, в основном уже осуществлена. Если КПД первых паровых машин составлял 2—5%, то КПД современных энергетических систем — тепловых электростанций, работающих на том или ином виде топлива и вырабатывающих пар для последующего преобразования его энергии посредством турбогенератора в электрическую, составляет более 40%. Атомные электростанции также вырабатывают пар, подаваемый в турбогенераторы. Их КПД не превышает 32%, а это означает, что только 32% тепловой энергии, выделяющейся при делении урана, преобразуется в электрическую.

Производство электрической энергии даже с применением современных энергетических систем сопровождается большими потерями тепла. Особенно велики потери тепла, когда электрическая энергия снова преоб-

373

разуется в тепло либо другие виды энергии на месте потребления. Существенными потерями сопровождается и передача электроэнергии, особенно на большие расстояния. В последние десятилетия ведутся работы по синтезу электропроводящих материалов проводников для передачи электроэнергии с минимальными потерями. Уже синтезированы высокотемпературные сверхпроводящие материалы. Однако для передачи электроэнергии нужны такие проводники, сверхпроводящее свойство которых проявлялось бы не при низких, а при обычных температурах.

К большим потерям приводит и потребление электроэнергии в химической промышленности. Например, энергетический КПД для процесса синтеза аммиака составляет 25—42%, для обычных способов получения винилхлорида — 12%, а для его синтеза из N0 — всего лишь 5—6,5%. В некоторых случаях высокотемпературные химические процессы сопровождаются потерями энергии до 60—70%. Энергетические потери в химическом производстве обусловливаются чаще всего объективными причинами, связанными с уровнем развития не только химических технологий, но и естествознания в целом. Однако есть и субъективные причины. Одна из них — сравнительно недавно разрабатывались методы превращения веществ с высоким процентом выхода конечной продукции без учета энергетической эффективности технологических процессов.

Повышение энергетического КПД процессов и аппаратов — одна из важнейших задач совершенствования химических технологий. Возможны разные способы ее решения: оптимизация химических реакций, уменьшение числа стадий технологического процесса, снижение температуры и давления реакционного процесса, приближение химических процессов к биологическим и, наконец, разработка новых технологий. Проблема энергосбережения охватывает не только химические процессы, но и весь технологический цикл производства конечного продукта, включающий весьма важные стадии — добычу и первичную переработку природного сырья.

Новые методы, модифицированные установки и аппараты, новейшие технологии позволяют постепенно решать проблему энергосбережения. Конечно, на всех действующих предприятиях всеми возможными мерами необходимо сокращать бесполезное рассеяние энергии. Такие меры известны — это оптимизация производственных процессов, утилизация рассеянного тепла, улучшение изоляции и герметичности, оптимизация процессов испарения и конденсации и т.д. Сохранение энергетических ресурсов — неотъемлемая и значимая задача всех отраслей материального производства.

374

9.4. ТЕПЛОВЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Существенная доля электроэнергии производится на тепловых электростанциях, где при сжигании ископаемого топлива получаются тепло и пар, подаваемый на турбогенераторы, вырабатывающие электроэнергию. В качестве топлива используются уголь, нефть или природный газ, а на атомных электростанциях — ядерное горючее.

Принципы работы различных электростанций во многом совпадают и отличаются способом получения тепла от первичного источника — органического либо ядерного топлива. В результате сжигания топлива или ядерных реакций выделяется тепло, используемое для нагревания воды и получения пара (рис. 9.5). Полученный пар с высокими температурой и давлением подается на турбину, вращающую якорь генератора электрического тока. Отработанный пар с пониженными температурой и давлением, покидая турбину, направляется в конденсатор, через который пропускается охлаждающая вода для превращения пара в воду. В процессе конденсации пара охлаждающая вода нагревается и сбрасывается в водоем, откуда она вначале забиралась, либо пропускается через градирни для охлаждения и повторного использования в конденсаторе. Вода, образовавшаяся из сконденсированного пара, возвращается в котел, и тепловой цикл снова повторяется.

375

КПД современной тепловой электростанции — около 40%. На электростанциях на органическом топливе охлаждающей воде передается около 75% тепловых отходов, а остальное неиспользованное тепло отводится через дымовые трубы. Тепловые сбросы на атомных электростанциях передаются в основном воде, охлаждающей конденсаторы.

Громадное количество производимой электрической энергии неизбежно влечет за собой сброс чрезвычайно больших объемов тепловых отходов в окружающую среду — реки, водоемы и атмосферу. Сбрасываемое тепло приводит к тепловым загрязнениям окружающей среды. Тепловое загрязнение (преимущественно воды) сопровождает процесс охлаждения открытого типа, при котором охлаждающая вода поступает из внешнего резервуара (бассейна реки, водоема) и затем в нагретом состоянии после использования для конденсации пара возвращается опять в тот же резервуар, откуда она поступала. Охлаждение другого типа — с замкнутым циклом, когда тепло, получаемое охлаждающей водой, рассеивается в атмосфере при помощи градирен (башен, в которых вода охлаждается путем разбрызгивания и испарения) — приводит к тепловому загрязнению в основном атмосферы. Тепловое загрязнение и воды, и атмосферы нарушает жизнедеятельность экосистем. Кроме того, тепловые электростанции — источник колоссального количества углекислого газа, двуокиси серы и других газов, загрязняющих атмосферу. Все это означает, что производство энергии на тепловых станциях — не самый лучший и эффективный способ. В этой связи продолжается поиск более эффективных источников энергии.

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-ге- нераторов), разработка энергосистем с прямым преобразованием энергии.

На тепловых электростанциях с утилизацией тепловых отходов тепло, полученное при сжигании топлива или цепной реакции деления и энергетически невыгодное для превращения в электрическую энергию, используется для обогревания жилых, общественных и промышленных зданий и т.п. Такие станции производят и электроэнергию, и тепло.

При комбинированном способе получения электроэнергии в парогазовых установках (ПГУ) к обычной тепловой системе подключается газовая турбина (рис. 9.6), применяемая в двигателях самолетов. В ПГУ она

376

приводится в движение потоком газов — продуктов сгорания керосина или природного газа — и вращает якорь электрогенератора, вырабатывающего электрический ток. При этом в электричество преобразуется около 25% тепловой энергии сжигаемого топлива. Горючие газы, покидающие газовую турбину, нагревают паровые котлы, и полученный пар подается на паровую турбину. Эффективность ПГУ достаточно высока. Например, построенная в 1999 г. в Коттаме (Великобритания) ПГУ ТЭС на 350—400 МВт имеет термический КПД около 60% (планируется получить и выше 60%). Для сравнения отметим, что термический КПД введенного в эксплуатацию в 1980 г. Костромского энергоблока на 1200 МВт составляет около 39 %. Специалисты считают, что к 2005—2010 гг. термический КПД удастся повысить для угольных энергоблоков до 60% (сейчас он не превышает 50%) и до 75% для энергоблоков на газе с минимальными выбросами оксидов азота, серы и золы. Такие довольно высокие показатели будут достигнуты при дальнейшей модернизации газовых турбин, систем газификации и горячей очистки синтез-газа, топливных элементов и комбинированных технологий, при разработке перспективных материалов и систем эффективного управления всеми технологическими процессами производства электроэнергии.

Один из способов повышения эффективности производства энергии — применение МГД-генераторов. Сущность его заключается в следующем. В образующиеся при сгорании топлива горячие газы добавляет-

ся металлический калий, который легко ионизируется с образованием заряженных частиц. Поток горячего газа с заряженными частицами в виде низкотемпературной плазмы направляется в специальный канал, окруженный катушками с током, создающими магнитное поле. При движении и перераспределении заряженных частиц в магнитном поле возникает электрический ток, который снимается электродами, расположенными вдоль канала. После выхода из канала горячие газы используются для получения пара, направляемого в турбину, соединенную с генератором, дающим электрический ток. В МГД-системе происходят два процесса: один из них — энергия электропроводящей низкотемпературной плазмы напрямую преобразуется в электрическую, а второй — тепловая энергия превращается в электрическую. Предполагается, что комбинация МГД-ге- нератора с обычной теплоэлектричсской системой позволит получить КПД до 65%. Работы по практическому применению МГД-генераторов для производства электроэнергии ведутся с конца 50-х годов XX в. Однако пока достигнут КПД не выше 40%, поэтому они не нашли широкого промышленного применения для производства электроэнергии.

Проблемы прямого преобразования энергии. Прямое преобразование химической энергии в механическую происходит, например, при сокращении мышц. Подобное преобразование удалось имитировать 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 коллагенные белковые волокна в сочетании с растворами солей различных концентраций. Прямое преобразование химической энергии в электромагнитную происходит в разработанных сравнительно недавно химических лазерах, в которых атомы возбуждаются за счет энергии химических реакций. Однако КПД такого преобразования очень низок. Приведенные способы прямого преобразования энергии, конечно, не являются примерами промышленного производства энергии.

Электроэнергия на тепловых электростанциях производится по известной схеме: химическая энергия топлива тепловая энергия механическая энергия электроэнергия. При прямом преобразовании химической энергии в электрическую повышается КПД и экономятся материальные ресурсы. Поэтому по мере истощения ископаемых энергоресурсов и повышения требований к экологической чистоте энергетических установок и транспорта, как одного из основных потребителей энергоресурсов вклад химических источников электроэнергии с прямым преобразованием в общие энергоресурсы с течением времени будет возрастать.

378

Предполагается, что производство, например, автомобилей с электрохимическими источниками энергии существенно возрастет уже в ближайшем будущем (рис. 9.7).

Устройства с 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 катализатором и не принимают непосредственного участия в выработке электроэнергии. Например, в водород-кислородном топливном элементе топливо окисляется на аноде, высвобождая электроны (рис. 9.8). 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 включениями частиц 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. 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 этот 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, безопасные хранение и транспортировка водорода требуют дальнейших технических усовершенствований. Тем не менее в 1999 г. фирма BMW выпустила первые модификации автобусов и легковых автомобилей на водороде и построила для них в аэропорту

379

Мюнхена (Германия) первую водородную автозаправочную станцию. Совсем недавно фирма «Дженерал Моторс» разработала легковой автомобиль с двигателем на водороде. Одна его заправка обеспечивает пробег 800 км. Такой двигатель отличается высокой экономичностью — его КПД достигает 85%, что примерно в 2 раза превышает КПД бензинового двигателя. При этом водородный двигатель не дает вредных выбросов — отработанным продуктом является вода.

Для широкого внедрения водородных двигателей необходимо решить проблему дешевого производства водорода. Возможно, в ближайшем будущем ее удастся решить, если водород подобно нефти будет извлекаться из недр Земли. Проведенные недавно исследования наших со- отечественников-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 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 большом количестве производить дешевые энергоресурсы — водород и сопутствующее тепло, и тогда водородная автозаправка станет обычным делом.

380

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.