750

20 МВт, а также и гораздо больше, если группировать подобные модули, подсоединяя их друг к другу. На аналогичном принципе работает Крымская солнечная электростанция мощностью 5 МВт.

Несколько иного типа электростанция в Алькерии на юге Испании. Ее отличие в том, что сфокусированное на вершину башни солнечное тепло приводит в движение натриевый круговорот, а тот уже нагревает воду до образования пара. У такого варианта ряд преимуществ. Натриевый аккумулятор тепла обеспечивает не только непрерывную работу электростанции, но дает возможность частично накапливать избыточную энергию для работы в пасмурную погоду и ночью. Мощность испанской станции имеет всего 0,5 МВт. Но на ее принципе могут быть созданы куда более крупные – до 300 МВт. В установках этого типа концентрация солнечной энергии настолько высока, что КПД паротурбинного процесса здесь ничуть не хуже, чем на традиционных тепловых электростанциях.

Пока еще электрическая энергия, рожденная солнечными лучами, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами. Но, тем не менее, станции-преобра- зователи солнечной энергии строят и они работают.

От недостатков, присущих машинным преобразователям, в известной степени свободны энергоустановки с так называемыми безмашинными преобразователями: термоэлектрическими, термоэмиссионными и фотоэлектрически-

ми (солнечные батареи), непосредственно преобразующими энергию солнечного излучения в электрический ток.

В основе работы термоэлектрогенераторов (ТЭГ) ле-

жит термоэлектрический эффект, открытый в 1821 году немецким физиком Т.И. Зеебеком. Эффект состоит в возникновении на концах двух разнородных проводников термоЭДС, если концы этих проводников имеют разную температуру.

251

Открытый эффект первоначально использовался в термометрии для измерения температур. Энергетический КПД таких устройств-термопар, подразумевающий отношение электрической мощности, выделяемой на нагрузке, к подведенному теплу, составлял доли процента. Только после того, как академик А.Ф. Иоффе предложил использовать для изготовления термоэлементов вместо металлов полупроводники, стало возможным энергетическое использование термоэлектрического эффекта, и в 1940–1941 годах в Ленинградском физико-техническом институте был создан первый в мире полупроводниковый термоэлектрогенератор. В 1940–1950-е годы была разработана теория термоэлектрического эффекта

вполупроводниках, а также синтезированы весьма эффективные (по сей день) термоэлектрические материалы.

Термоэмиссионный преобразователь (ТЭП) явился след-

ствием открытого Эдисоном явления, получившего название термоэлектронной эмиссии. Подобно термоэлектричеству, оно долгое время применялось в технике слабых токов. Позднее ученые обратили внимание на возможности использования метода для преобразования тепла в электричество.

По мнению специалистов, наиболее привлекательным является создание фотоэлектрических преобразователей

(ФЭП) солнечной энергии (использование фотоэлектрического эффекта в полупроводниках). Это один из наиболее распространенных ныне и перспективных способов преобразования света – фотоны передают свою энергию электронам

вполупроводниках, и в нагрузке возникает электрический ток.

Ксожалению, производство полупроводниковых фотоэлементов недешево, и эффективность наземных СЭС мала изза неустойчивых атмосферных условий и, соответственно, относительно слабой интенсивности солнечной радиации и колебаний, обусловленных чередованием дня и ночи. Известные пути преодоления этих препятствий – создание аккумуляторов

252

энергии и комбинированных солнечно-топливных или солнеч- но-атомных энергосистем, а также применение концентрирующих солнечную энергию устройств, повышающих ее плотность. К сожалению, эти решения не нашли широкого применения в странах, расположенных в северных широтах, из-за неконкурентоспособности с традиционными электростанциями.

КПД современных солнечных батарей достигает 13– 15 %. Наиболее перспективным для создания преобразователей СКЭС ультратонкие солнечные элементы, имеющие КПД порядка 15 % при удельных характеристиках 1 кВт/м2 и 200 Вт/кг. Для создания СКЭС мощностью 10 ГВт площадь солнечных батарей составила бы 50 км2 при весе 10 тыс. т.

Тем не менее солнечные фотоэлементы уже сегодня находят специфическое применение. Они оказались практически незаменимыми источниками электрического тока в ракетах, спутниках и автоматических межпланетных станциях, а на Земле – для питания телефонных сетей в неэлектрифицированных районах или же для малых потребителей тока (электромобили, радиоаппаратура, электрические бритвы и т.п.). Полупроводниковые солнечные батареи впервые были установлены на третьем советском искусственном спутнике Земли, запущенном на орбиту 15 мая 1958 года.

С конца 1960-х годов началась интенсивная теоретическая и экспериментальная проработка различных вариантов мощных СКЭС на геосинхронной орбите и отдельных элементов их конструкции, но сегодня эти сооружения все еще относятся к наиболее сложным и самым дорогостоящим техническим методам использования гелиоэнергии.

5.6. Водородная энергетика

Водород, самый простой и легкий из всех химических элементов, можно считать идеальным топливом. Он имеется всюду, где есть вода. При сжигании водорода образуется во253

да, которую можно снова разложить на водород и кислород, причем этот процесс не вызывает никакого загрязнения окружающей среды. Водородное пламя не выделяет в атмосферу продуктов, которыми неизбежно сопровождается горение любых других видов топлива: углекислого газа, окиси угле-

рода, сернистого газа, углеводородов, золы, органических перекисей и т.п. Водород обладает очень высокой теплотворной способностью: при сжигании 1 г водорода получается 120 Дж тепловой энергии, а при сжигании 1 г бензина – только 47 Дж.

Водород можно транспортировать и распределять по трубопроводам так же, как природный газ. Трубопроводный транспорт топлива – самый дешевый способ дальней передачи энергии. К тому же трубопроводы прокладываются под землей, что не нарушает ландшафта. Газопроводы занимают меньше земельной площади, чем воздушные электрические линии. Передача энергии в форме газообразного водорода по трубопроводу диаметром 750 мм на расстояние свыше 80 км обойдется дешевле, чем передача того же количества энергии в форме переменного тока по подземному кабелю. На расстояниях больше 450 км трубопроводный транспорт водорода дешевле, чем использование воздушной линии электропередачи постоянного тока.

Водород – синтетическое топливо. Его можно получать из угля, нефти, природного газа либо путем разложения воды. Согласно оценкам, сегодня в мире производят и потребляют около 20 млн т водорода в год. Половина этого количества расходуется на производство аммиака и удобрений, а остальное – на удаление серы из газообразного топлива, в металлургии, для гидрогенизации угля и других топлив. В современной экономике водород остается скорее химическим, нежели энергетическим сырьем.

254

Сейчас около 80 % водорода производят главным образом из нефти. Но это неэкономичный для энергетики процесс, потому что энергия, получаемая из такого водорода, обходится в 3,5 раза дороже, чем энергия от сжигания бензина. К тому же себестоимость такого водорода постоянно возрастает по мере повышения цен на нефть.

Небольшое количество водорода получают путем электролиза. Производство водорода методом электролиза воды обходится дороже, чем выработка его из нефти, но оно будет расширяться и с развитием атомной энергетики станет дешевле. Вблизи атомных электростанций можно разместить станции электролиза воды, где вся энергия, выработанная электростанцией, пойдет на разложение воды с образованием водорода. Правда, цена электролитического водорода останется выше цены электрического тока, зато расходы на транспортировку и распределение водорода настолько малы, что окончательная цена для потребителя будет вполне приемлема по сравнению с ценой электроэнергии.

Сегодня исследователи интенсивно работают над удешевлением технологических процессов крупнотоннажного производства водорода за счет более эффективного разложения воды, используя высокотемпературный электролиз водяного пара, применяя катализаторы, полунепроницаемые мембраны и т.п.

Интерес ученых вызывает термолитический метод, который заключается в разложении воды на водород и кислород при температуре 2500 °С. Но такой температурный предел инженеры еще не освоили в больших технологических агрегатах, в том числе и работающих на атомной энергии (в высокотемпературных реакторах пока рассчитывают лишь на температуру около 1000 °С). Поэтому исследователи стремятся разработать процессы, протекающие в несколько

255

стадий, что позволило бы вырабатывать водород в температурных интервалах ниже 1000 °С.

В 1969 году в итальянском отделении «Евратома» была пущена в эксплуатацию установка для термолитического получения водорода, имеющая КПД 55 % при температуре 730 °С. В процессе используются бромистый кальций, вода и ртуть. Вода в установке разлагается на водород и кислород, а остальные реагенты циркулируют в повторных циклах. В дальнейшем были сконструированы установки, работающие при более высоких температурах (до 800 °С). Как полагают, высокотемпературные реакторы позволят поднять КПД таких процессов до 85 %. Сегодня мы не в состоянии точно предсказать, сколько будет стоить водород. Но если учесть, что цены всех ныне используемых видов энергии повышаются, можно предположить, что в долгосрочной перспективе энергия водорода будет обходиться дешевле, чем природного газа, а возможно, и электрического тока.

Когда водород станет столь же доступным топливом, как сегодня природный газ, он сможет всюду его заменить. Водород можно будет сжигать в кухонных плитах, в водонагревателях и отопительных печах, снабженных горелками, которые почти или совсем не будут отличаться от современных горелок, применяемых для сжигания природного газа.

Как мы уже говорили, при сжигании водорода не остается никаких вредных продуктов сгорания. Поэтому отпадает нужда в системах отвода этих продуктов для отопительных устройств, работающих на водороде. Более того, образующийся при горении водяной пар можно считать полезным продуктом – он увлажняет воздух (как известно, в современных квартирах с центральным отоплением воздух слишком сух). Отсутствие дымоходов не только сокращает строительные расходы, но и повышает КПД отопления на 30 %.

Водород может служить и химическим сырьем во многих отраслях промышленности, например при производстве

256

удобрений и продуктов питания, в металлургии и нефтехимии. Его можно использовать и для выработки электроэнергии на местных тепловых электростанциях.

5.7. Вторичные энергоресурсы

Прогрессивное направление развития промышленности – создание безотходных производств, по технологии которых используются все элементы производственного процесса, а также энергия реакции технологических процессов для получения полезной продукции. Однако технологические процессы сопровождаются материальными и энергетическими отходами.

На технологический процесс расходуется определенное количество топлива, электрической и тепловой энергии. Кроме того, сами технологические процессы протекают с выделением различных энергетических ресурсов – теплоносителей, горючих продуктов, газов и жидкостей с избыточным давлением. Далеко не все количество этой энергии используется в технологическом процессе или агрегате. Такие неиспользуемые в процессе (агрегате) энергетические отходы называют вторичными энергетическими ресурсами (ВЭР).

Количество образующихся вторичных энергетических ресурсов достаточно велико. Поэтому полезное их использование – это существенная экономия энергетических ресурсов. Утилизация этих ресурсов связана с определенными затратами, в том числе и капитальными, поэтому возникает необходимость экономической оценки целесообразности такой утилизации.

Под ВЭР понимают энергетический потенциал продукции, отходов, побочных и промежуточных продуктов, образующихся при технологических процессах, в агрегатах и установках, который не используется в самом агрегате, но может быть частично или полностью использоваться для энергосбережения других агрегатов (процессов).

257

ВЭР промышленности делятся на три основные группы:

1)горючие;

2)тепловые;

3)избыточного давления.

Горючие (топливные) ВЭР – химическая энергия отходов технологических процессов химической и термохимической переработки сырья. К таким отходам относятся:

•побочные горючие газы плавильных печей (доменный газ, газ шахтных печей, конверторный газ и т.д.);

•горючие отходы процессов химической и термохимической переработки углеродистого сырья (синтез, отходы электродного производства, горючие газы при получении исходного сырья для пластмасс и т.д.);

•твердые и жидкие топливные отходы, непригодные для дальнейшей технологической переработки;

•отходы деревообработки, целлюлозно-бумажного производства.

Тепловые ВЭР – это тепло отходящих газов при сжигании топлива, тепло воды или воздуха, использованных для охлаждения технологических агрегатов и установок, теплоотходов производства, например горячих металлургических шлаков.

Одним из весьма перспективных направлений использования тепла слабо нагретых вод является применение так называемых тепловых насосов, работающих по тому же принципу, что и компрессорный агрегат в домашнем холодильнике. Тепловой насос отбирает тепло от сбросной воды и аккумулирует тепловую энергию при температуре около 90 °С, иными словами, эта энергия становится пригодной для использования в системах отопления и вентиляции.

Следует отметить, что пока еще большое количество тепловой энергии теряется при так называемом «сбросе» промышленных сточных вод, имеющих температуру 40–60 °С

258

и более, при отводе дымовых газов котельных установок, температура которых 200–300 °С, а также в вентиляционных системах промышленных и общественных зданий, животноводческих комплексов, температура удаляемого из этих помещений воздуха не менее 20–25 °С.

Особенно значительны объемы тепловых вторичных ресурсов в черной и цветной металлургии, в химической, газовой и других отраслях промышленности.

Вторичные энергетические ресурсы избыточного дав-

ления преобразуются в механическую энергию, которая или непосредственно используется для привода механизмов и машин, или преобразуется в электрическую энергию.

Примером применения этих ресурсов может служить использование избыточного давления доменного газа в утилизационных бескомпрессорных турбинах для выработки электрической энергии.

ВЭР имеются также на электрических станциях и представляют собой тепловые отходы или потери тепла, получаемые в процессе энергопроизводства. На гидроэлектростанциях такими тепловыми отходами являются только тепловыделения в гидрогенераторах станций.

ВЭР электростанций по своей величине значительно меньше, чем на промышленных предприятиях, и непрерывно уменьшаются по мере повышения экономичности энергопроизводства.

Различают следующие основные направления использования потребителями ВЭР:

•топливное – непосредственно в качестве топлива;

•тепловое – непосредственно в качестве тепла или выработки тепла в утилизационных установках;

•силовое – использование электрической или механической энергии, вырабатываемой из ВЭР в утилизационных установках;

259

• комбинированное, т.е. использование тепловой и электрической (механической) энергии, одновременно вырабатываемой из ВЭР в утилизационных установках.

Для оценки выхода и использования ВЭР применяются следующие показатели:

1.Выход ВЭР – количество ВЭР, образующихся в процессе производства в данном технологическом агрегате за единицу времени.

2.Выработка энергии за счет ВЭР – количество энергии, получаемое при использовании ВЭР в утилизационной установке. Выработка энергии отличается от ее выхода на величину потерь тепла в утилизационной установке. Различают

возможную, экономически целесообразную, планируемую

ифактическую выработки энергии.

3.Использование ВЭР – количество используемой у потребителей энергии, вырабатываемой за счет ВЭР в утилизационных установках.

4.Экономия топлива за счет ВЭР – количество первичного топлива, которое экономится в результате использования ВЭР.

5.8. Биомасса как возобновляемый источник энергии

Эффективным возобновляемым источником энергии является биомасса. Ресурсы биомассы в различных видах есть почти во всех регионах мира, и почти в каждом из них может быть налажена ее переработка в энергию и топливо. За счет биомассы можно удовлетворить 6–10 % всех энергетических потребностей промышленно развитых стран.

Биомасса сегодня является четвертым по значению топливом в мире, давая ежегодно 1250 млн т условного топлива и составляя около 15 % всех первичных энергоносителей (в развивающихся странах до 38 %).

Россия обладает 20 % мировых лесных запасов, но в лесу ежегодно остается до 500 млн м3 перезрелой древесины, 260