Лекция 3 ВвС Технический аспект развития энергетики

3.1. Виды энергии и их источники

В современной теоретической физике выделены 15 видов энергии [5]. Их практическая ценность определяется по следующим показателям:

− наличие источников и величина их ресурсов на Земле;

− способность к возобновлению этих ресурсов;

− возможность непосредственного использования;

− возможность накапливаться и сохраняться;

− возможность транспортировки на дальние расстояния;

− экономичность и скорость превращения в другие виды;

− концентрация в единице объема носителя и т.п.

По первому показателю среди невозобновляемых источников (табл.2.1) лидируют энергия термоядерного синтеза и атомная энергия, получаемая в реакциях деления.

Таблица 3.1 Характеристика невозобновляемых источников энергии

Если бы получение в промышленных масштабах термоядерной энергии достигло стадии практического освоения, то человечеству не надо было бы беспокоиться об исчерпании запасов органического топлива. Однако сегодня уже ясно, что оптимистическим прогнозам о создании к 2000 году установок по осуществлению устойчивой управляемой реакции синтеза (термоядерных электростанций) не суждено сбыться, хотя и есть некоторые успехи на пути продвижения к этой цели.

Запасы атомного горючего для реакций деления, хотя и оцениваются цифрой примерно в 200 раз меньшей, чем для термоядерного топлива, однако могут быть увеличены при использовании так называемых "реакторов размножителей", практическое освоение которых уже начато, но имеет пока весьма ограниченные масштабы.

,

На третьем месте в ряду не возобновляемых источников стоит химическая энергия ископаемых органических топлив (нефть, газ, уголь), запасы которой оцениваются в 55000 триллионов кВт-ч, что примерно в 650 раз превосходит прогнозировавшуюся на 2000 год общую потребность человечества в энергии. И, наконец, этот ряд замыкает внутреннее тепло Земли в виде источников горячей воды и пара, потенциальные запасы которого, к сожалению, не могут рассматриваться как сколько-нибудь существенный источник покрытия указанной потребности.

Среди возобновляемых источников [6] на первом месте стоит энергия солнечных лучей, падающих на Землю, которая соизмерима с потециальными запасами атомной энергии, получаемой в реакциях деления. Однако, в отличие от последней, практическое использование солнечной энергии для превращения в другие виды (тепло, электричество) осложняется чрезмерно низкой ее концентрацией.

На втором месте находится энергия морских приливов, по потенциальным запасам даже превышающая химическую энергию ископаемых органических топлив. Вместе с тем, зоны морских и океанических побережий, где мощность приливной волны имеет масштабы, пригодные для практического использования (сооружения "приливных" электростанций), весьма ограничены и в ряде случаев значительно удалены от центров потребления. Эти факторы не позволяют рассматривать энергию приливов в качестве существенного средства обеспечения мировых потребностей ни сегодня, ни в будущем.

Аналогичный вывод приходится сделать и в отношении энергии ветра, так как, несмотря на значительный суммарный потенциал (примерно в 2,5 раза превышающий суммарный расход энергии в современном мире) полезно может быть использовано лишь около 5% его величины.

Что же касается последнего из возобновляемых источников -энергии рек, то мировой гидроэнергетический потенциал оценивается цифрой, достаточно скромной по сравнению с ресурсами химической энергии органических топлив (около 30 триллионов кВт-ч), из которых практически может быть использовано примерно 25%. Вместе с тем, эта величина почти в 2 раза превышает современный уровень ежегодной выработки электроэнергии всеми электростанциями мира [7].

Все перечисленные выше источники энергии относятся к разряду первичных, из числа которых на Земле непосредственно используется лишь электромагнитное излучение Солнца в виде тепла и лучистой энергии в процессах фотосинтеза, а также тепло земных недр в виде пара и горячей волы. Люди же в повседневной жизни используют не первичные, а совсем другие виды энергии, получаемые за счет превращения первичных.

На первом месте здесь стоит тепловая энергия, на долю которой приходится около 75% всего количества потребляемой энергии. Это расход тепла на технологические нужды промышленности (плавка металла, сушка и т.п.) и отопление. На долю механической энергии для привода стационарных и транспортных установок приходится 24% и оставшийся 1% - это доля электрической энергии в ее непреобразованной форме, которая используется в электротехнологических процессах (электролиз и т.п.).

В общем случае на пути от источника энергии (ИЭ) до ее потребителя (ПЭ) осуществляется серия (цикл) преобразований одного вида энергии в другой. Наиболее широко используются 6 превращений, в которых участвуют 5 видов энергии - атомная (А), химическая (X), тепловая (Т), электрическая (Э) и механическая (М), что схематически показано на рис. 2.1, где направления стрелок символизируют превращение исходного в конечный вид энергии.

Рисунок 3.1. Практически используемые превращения видов энергии

Итак, несовпадение первичных и непосредственно используемых ("полезных") форм энергии, а также мест извлечения первичных энергоресурсов и мест, где используются полезные виды энергии, порождает три основные технические проблемы:

==> транспортировка энергоносителей;

==> преобразование одних форм энергии в другие;

==> аккумулирование энергии.

В силу своей значимости каждая из этих проблем заслуживает отдельного рассмотрения. Начнем с первой проблемы.