Стырикович М. А., Шпильрайн Э. Э.
Энергетика. Проблемы и перспективы.— Москва: Энергия, 1981.
В популярной форме рассказывается о современном состоянии энергетики мира и отдельным стран, о потребностям человечества в энергии, о возобновляемым и невозобновляемых источниках энергии, о методах преобразования энергии, об аккумуляции и транспорте энергии и о взаимодействии топливно-энергетического комплекса с окружающей средой. При рассмотрении нетрадиционных источников энергии и новых методов преобразования энергии обращается внимание на их принципиальные достоинства и недостатки, определяющие возможный вклад в энергетику будущего
Для широкого круга читателей со средним и высшим образованием, интересующимся актуальными проблемами науки и техники.
МИХАИЛ АДОЛЬФОВИЧ СТЫРИКОВИЧ
ЭВАЛЬД ЭМИЛЬЕВИЧ ШПИЛЬРАЙН
ПРЕДИСЛОВИЕ
Эта книга задумана как популярная и рассчитана на широкий круг читателей, интересующихся состоянием и проблемами энергетики. Разумеется, в такой книге не могли быть затронуты, пусть даже кратко, все стороны этой очень многообразной и важной области человеческой деятельности. Однако авторы попытались рассказать об основных проблемах энергетики, понимая, что сам выбор этих основных проблем в некоторой степени субъективен.
Главы книги, где рассказывается об энергетических ресурсах, основных тенденциях их использования, состоянии новых разработок в области нетрадиционных источников и методов преобразования энергии, авторы постарались изложить на основе материалов, относящихся к планете в целом, привлекая сведения по отдельным странам лишь в качестве примеров. Вместе с тем ясно, что такое изложение в полной мере не позволяет обсудить влияние на развитие энергетики специфических, но очень важных факторов, которые по разному действуют в странах с различными социальными и политическими системами, находящихся на разных ступенях научно-технического прогресса. Поэтому в предисловии авторы сочли необходимым кратко отметить те особенности, которые отличают развитие энергетики Советского Союза.
Энергетическое наследство, полученное советской страной от дореволюционной России, было исключительно скудным. Достаточно сказать, что в 1913 г. мощность всех электростанций в России составляла всего около 400 тыс. кВт, да и эти немногие станции были повреждены и выведены из строя в годы гражданской войны.
По инициативе В. И. Ленина в первые годы Советской власти был подготовлен Государственный план электрификации России (ГОЭЛРО), который предполагал сооружение 30 электростанций на общую мощность 1750 тыс. кВт. Несмотря на то, что западные специалисты считали этот план нереальным, он был выполнен досрочно и явился первым шагом на пути грандиозного энергетического перевооружения страны.
В годы первых пятилеток энергетика в Советском Союзе развивалась как количественно, так и качественно. На смену мелким несовершенным паротурбинным установкам, работавшим на паре низких давления и температуры, пришли агрегаты мощностью в несколько сот тысяч киловатт на высокие и сверхкритические параметры, значительно возрос их к. п. д.
Особенно больших успехов достигла советская энергетика после второй мировой войны. Наряду с тепловыми электростанциями начали создаваться мощные гидростанции на Волге, а впоследствии и на великих сибирских реках. В 1954 г. в Советском Союзе была пущена первая в мире атомная электростанция, ознаменовавшая новую эру в мирном использовании атомной энергии.
Наряду с электроэнергетикой радикально изменились и другие области производства и потребления энергии. Отличительной особенностью и преимуществом советской энергетики является широкое развитие централизованного теплоснабжения. Электростанции, вырабатывающие одновременно электроэнергию и низкопотенциальную теплоту для отопительных и технологических нужд (так называемые теплоэлектроцентрали — ТЭЦ), составляют сегодня основу энергоснабжения крупных городов и промышленных предприятий.
Топливная политика советского государства на всех этапах развития энергетики заключалась в рациональном использовании различных видов топлив и использовании для электростанций наиболее низкосортных из них — высокозольных углей. Вместе с тем интенсивно велись разведка и освоение новых месторождений топлива. Перед второй мировой войной интенсивно разрабатывалось Кузнецкое угольное месторождение в Западной Сибири, в начале 50-х годов осваивались нефтяные месторождения Поволжья. В 60-годы были открыты нефтяные и газовые месторождения в Тюменской области, начато освоение Канско-Ачинского угольного бассейна, продолжалась разведка в Восточной Сибири. Необходимо отметить, что в соответствии с плановым освоением новых топливных районов в них, наряду с топливодобывающей промышленностью, создаются территориальные промышленные комплексы с развитой инфраструктурой, с благоустроенными жилыми поселками и городами. Все это приводит к разумному использованию природных богатств, к освоению новых, необжитых территорий и превращению их в высокоразвитые районы.
В настоящее время энергетика Советского Союза представляет собой одну из передовых отраслей народного хозяйства. По выработке электроэнергии Советский Союз занимает второе место в мире (после США). Представление об объеме производства электроэнергии можно получить из того факта, что сейчас в стране производится в сутки около 4 млрд. кВт-ч электроэнергии.
В СССР построено большое число мощных тепловых электростанций, из которых Запорожская и Углегорская электростанции, имеющие мощность по 3,6 млн. кВт, являются самыми крупными в Европе.
На большинстве рек европейской части страны и Сибири построены каскады крупнейших гидроэлектростанций — на Волге, Днепре, Ангаре, Енисее. В канун 1981 г. был пущен пятый агрегат самой мощной в мире Саяно-Шушенской ГЭС (6,5 млн. кВт).
Быстрыми темпами сооружаются мощные атомные электростанции. Сейчас в стадии расширения и строительства находятся Курская, Нововоронежская, Чернобыльская, Смоленская и Игналинская атомные электростанции, мощность которых должна составить по 6 млн. кВт при мощности отдельного реактора 1— 1,5 млн. кВт. Программой развития энергетики СССР предусматривается дальнейший рост общей мощности атомных электростанций.
Огромные успехи достигнуты и в других отраслях энергетики. Завершаются работы по объединению всех электростанций страны в Единую энергетическую систему. Уже сейчас более 90% всей электроэнергии, вырабатываемой в стране, может распределяться централизованно. В СССР уделяется большое внимание перспективам энергетики. В научно-исследовательских институтах, в лабораториях высших учебных заведений ведутся комплексные исследования по освоению новых, возобновляемых источников энергии, и в первую очередь — солнечной и геотермальной.
У нас имеются значительные достижения в области создания ядерных реакторов деления на быстрых нейтронах. Советская программа освоения управляемой термоядерной реакции является сегодня одной из самых передовых в мире. Достижения ученых и инженеров в этой области вплотную подвели нас к осуществлению величайшей мечты человечества — овладению новым практически неисчерпаемым источником энергии.
Значительны достижения советских ученых в области освоения новых методов преобразования энергии. В частности, общепризнанно, что наши успехи в области магнитогидродинамического преобразования энергии являются наиболее значительными в мире.
Будущее нашей энергетики закладывается уже сегодня. Разумеется, не все проблемы завтрашнего дня сегодня решены, однако плановая экономика Советского Союза предусматривает все необходимое, чтобы народное хозяйство страны и впредь бесперебойно снабжалось всеми видами энергии и чтобы обеспечивались планируемые темпы роста народного хозяйства. Об основных проблемах, возникающих на пути дальнейшего развития энергетики, и рассказывает эта книга.
Авторы выражают большую признательность академику В. А. Кириллину, проф. А. М. Некрасову, проф. Т. X. Маргуловой и канд. техн. наук В. И. Доброхотову за ценные советы.
Авторы благодарны канд. техн. наук С. Я. Чернавскому за подготовку материала § 2.4, а также за тщательное редактирование всей рукописи.
Авторы
ВВЕДЕНИЕ
С незапамятных времен человек стремился увеличить свою власть над природой. Возможности человека как биологической особи ограничены его мускульной силой. Известно, что человек в среднем может развивать мощность около 100 Вт, из которых около 2/3 может быть получено в виде механической мощности. Первым шагом на пути увеличения этой располагаемой мощности явилось приручение более сильных животных. Недаром до наших дней дошла единица мощности в одну лошадиную силу (1 л. с.=736 Вт). Эта «лошадиная сила» позволила человеку совершать тяжелую, непосильную для него работу, передвигаться с недоступной для него скоростью. Но и возможности животных со временем перестали удовлетворять человека. Взоры людей обратились к неживой природе. Человек начал создавать простейшие механизмы, способные для своего привода использовать природные источники механической энергии. Такими источниками прежде всего явились потоки воды и ветер. До наших дней дошли уникальные водоподъемные устройства, созданные еще до нашей эры, работавшие за счет энергии движущейся воды, водяные и ветряные мельницы также относятся к древнейшим механизмам подобного рода.
В глубокой древности человек начал использовать теплоту, получаемую при сжигании природных топлив, причем до сравнительно недавнего времени (до изобретения паровой машины во второй половине XVIII в.) теплота использовалась только для нагрева — вначале при приготовлении пищи и обогреве жилищ, затем в различных технологических процессах: при обжиге гончарных изделий и известняка, обработке руд, плавке металлов и т. д.
Изобретение паровой машины, а впоследствии целой плеяды тепловых двигателей произвело революцию в технике. Человек получил возможность вырабатывать
Механическую энергию, затрачивая теплоту, освобождаемую при сжигании топлив. Важность этого открытия состояла, во-первых, в том, что запасы топлив существенно больше, чем запасы механической энергии в природных источниках, во-вторых, в том, что тепловой двигатель может производить работу в любом месте, ибо топливо к нему можно подвозить, и, наконец, в том, что тепловой двигатель позволил создать различные самодвижущиеся аппараты, берущие необходимый запас топлива на борт и становящиеся при этом полностью автономными. И сегодня большинство средств передвижения, применяемых для грузовых и пассажирских перевозок , использует в качестве источника движения тепловой двигатель.
Следующим крупнейшим событием на пути повышения энерговооруженности человечества явилось открытие на рубеже XVIII и XIX вв. явления электрического тока. Электричество позволило осуществить то, что не удавалось осуществить иными способами — передавать энергию на большие расстояния, производить ее в больших количествах на специальных электростанциях и удобно распределять между различными крупными и мелкими потребителями. Начав свое развитие в прошлом веке, электроэнергетика продолжает свое победное шествие и сегодня, завоевывая все новые и новые позиции в промышленности, на транспорте и в быту.
Сегодня человек, создав новую совершенную технику, многократно умножил свою мощность. Общая мощность (по всей сумме энергии, потребляемой от первичных источников), приходящаяся на душу населения, является признанным и достаточно объективным показателем технического уровня той или иной страны; например, в США эта величина в 1975 г. составляла около 11,6 кВт, в СССР — около 5,3 кВт, в развивающихся странах около 0,6 кВт, в среднем в мире — около 2,2 кВт.
Дальнейший рост экономики и повышение технического уровня производства неразрывно связаны с развитием энергетики. До 1971 г. потребление энергии в мире возрастало в среднем на 4—5% в год, что соответствует удвоению выработки энергии за 14—15 лет. Если учесть, что уровень производства энергии, достигнутый в последней четверти XX в., достаточно высок (общая потребляемая мощность во всем мире составляет около 10+13 Вт), то такие темпы роста ставят перед человечеством серьезные проблемы.
Первой проблемой являются первичные источники энергии. Ныне используемые источники энергии принято разделять на возобновляемые и невозобновляемые. Солнечная энергия, энергия ветра, гидроэнергия (энергия рек), энергия приливов, волн и некоторые другие называются возобновляемыми потому, что использование их человеком практически не изменяет их запасы или интенсивность. Все эти источники обусловлены солнечной радиацией, и их интенсивность будет неизменной в той мере, в какой неизменна энергия, отдаваемая солнцем. В какой-то мере возобновляемой является геотермальная энергия (теплота глубинных слоев земной коры и воды и пара, содержащихся в ней).
Все ископаемые природные топлива (уголь, нефть, газ, сланцы, торф) и уран — единственный природный элемент, с помощью которого можно осуществить самоподдерживающуюся ядерную реакцию деления, относятся ко второй группе источников энергии.
Несколько особняком стоит термоядерная энергия синтеза легких ядер. Сегодня она реализуется только в термоядерных бомбах. Управляемая термоядерная реакция, призванная обеспечить человечество практически неисчерпаемым количеством энергии, еще ждет своего осуществления.
Несмотря на то, что суммарная мощность возобновляемых источников энергии, и прежде всего солнечной радиации, во много раз превосходит нынешние потребности людей, по причинам, которые будут объяснены ниже, мы черпаем из этих источников лишь малую часть нашего энергетического рациона. Подавляющее количество энергии человечество получает сегодня, расходуя невозобновляемые источники, само название которых заставляет задуматься о возможных последствиях нашей деятельности. В настоящее время в специальной и популярной литературе приводится множество оценок запасов различных видов ископаемых топлив. Мы рассмотрим эти оценки ниже, но уже сейчас отметим, что даже при оптимистическом подходе запасы наиболее удобных и относительно недорогих топлив — нефти и газа при современных темпах потребления исчисляются лишь десятками лет. При этом важно отметить существенную особенность энергии.
бурно развивающаяся современная промышленность заставляет говорить о возможном исчерпании не только топлив, но и запасов других, мало распространенных в природе исходных веществ и элементов. Однако при использовании человеком эти вещества и элементы не пропадают бесследно. При наличии достаточного количества энергии их можно регенерировать и вновь пустить в дело. Саму энергию регенерировать нельзя. Неумолимый второй закон термодинамики напоминает, что любой вид исходной энергии после того, как он послужит человеку, превращается в теплоту при температуре окружающей среды и в конечном итоге безвозвратно излучается в мировое пространство. Поэтому запасы энергии, созданные природой, нужно расходовать особенно бережно. Задачей близкого будущего является улучшение использования ядерной энергии деления и освоение энергии ядерного синтеза.
Энергия, сосредоточенная в природных источниках, как правило, не может быть использована непосредственно. Поэтому важными этапами на пути использования энергии человеком являются преобразование, транспорт, аккумулирование и собственно потребление энергии.
Устройства, преобразующие и использующие энергию, принято характеризовать значением к. п. д., который в общем случае представляет собой отношение полезного энергетического эффекта к полному значению энергии, подведенной к данной машине или аппарату, Разумеется, мы заинтересованы в том, чтобы к. п. д. был как можно больше, достигая в пределе единицы, или 100%. Однако любой реальный процесс сопровождается потерями энергии, вследствие чего к. п. д. никогда не достигает единицы. В случае же преобразования теплоты в работу или электроэнергию теоретически достижимый к. п. д. в большинстве случаев существенно меньше единицы и, как показывает второй закон термодинамики, не может превосходить величину
где Т1 — абсолютная температура, при которой теплота подводится к преобразующему устройству, а Т2 — при которой она отводится.
Если преобразование механической энергии в другие виды мы умеем осуществлять с к. п. д., близким к единице, то, например, лучшие тепловые электростанции, работающие на химическом топливе, имеют сегодня к. п. д., лишь в редких случаях превышающий 40%. Поэтому совершенствование методов преобразования энергии, повышение к. п. д. преобразования теплоты в работу и электроэнергию представляет собой вторую проблему энергетики, на решении которой сконцентрированы сегодня усилия ученых и инженеров-энергетиков.
На этом пути большой интерес представляют так называемые методы прямого преобразования энергии, в которых одно или несколько звеньев в цепи обычной классической схемы преобразования энергии первичного источника в электроэнергию удается исключить. Здесь, в частности, интересные топливные элементы, позволяющие непосредственно превращать химическую энергию в электрическую. В этом случае в цепи преобразований энергии нет тепловой стадии и, соответственно, нет ограничений, налагаемых вторым законом термодинамики. Поэтому теоретический к. п. д. топливных элементов может приближаться к 100%. Однако существующие топливные элементы способны использовать далеко не всякие топлива, стоимость их очень высока и, несмотря на высокий к. п. д., они пока значительно уступают по экономическим показателям обычным тепловым электростанциям. Проблема состоит в удешевлении топливных элементов и в расширении ассортимента доступных для них топлив.
Из многих методов прямого преобразования энергии для крупной энергетики наибольшую перспективу имеет магнитогидродинамический (МГД) метод, который позволяет существенно повысить к. п. д. тепловых электростанций. Сегодня во многих странах мира создаются экспериментальные и опытно-промышленные МГД установки, и есть основание считать, что они начнут внедряться в энергетику в 80—90-е годы нашего столетия.
Необходимо иметь в виду, что, как правило, в пределах какого-либо одного принципа действия или технологии стремление повысить к. п. д. энергетической установки вызывает ее удорожание. Применение усовершенствованных схем, принципов и технологии позволяет увеличить к. п. д. при сохранении стоимости, но дальнейшее улучшение к. п. д. вновь будет достигаться ценой удорожания. Энергетика является сегодня очень капиталоемкой отраслью техники. Поэтому оптимизация стационарных энергетических установок должна проводиться не по к. п. д., а по стоимости той энергии, которую они выдают потребителю. Такой подход всегда требует нахождения компромисса между стремлением повысить к. п. д. и связанным с этим удорожанием установки. Оптимизация транспортных энергетических установок, очевидно, требует иных подходов, не всегда основанных только на денежных оценках. Это особенно ясно, например, в случае авиации.
В последнее время в связи с большими масштабами производства и потребления энергии весьма острым оказался вопрос о ее транспорте. Транспортом энергии можно назвать и перевозку угля по железной дороге от места добычи к месту использования, и перекачку нефти и газа по нефте- и газопроводам, и транспортировку сжиженного газа в супертанкерах, и передачу электроэнергии по высоковольтным линиям электропередач. В каждом конкретном случае необходимо решать, какой вид транспорта окажется предпочтительным с точки зрения экономичности, стоимости, надежности и ряда других показателей. Транспортировка больших количеств энергии на большие расстояния является третьей проблемой, заставляющей искать качественно новые способы передачи энергии.
Вопросы транспорта энергии тесно переплетаются с вопросами ее аккумулирования. Хранение твердого, жидкого и газообразного топлива — это своего рода аккумулирование, оно помогает согласовать в общем случае разные по интенсивности производство, транспорт и потребление топлива. К сожалению, мы до сих пор не умеем сколько-нибудь экономично и длительно хранить запасы электроэнергии. Электрохимические аккумуляторы, несверхпроводящие и сверхпроводящие индуктивные накопители, конденсаторы для ряда частных случаев решают эту задачу, но все они неприменимы для длительного хранения больших количеств энергии. Поэтому в тех случаях, когда производство электроэнергии и ее потребление по тем или иным причинам не согласованы, приходится применять аккумулирование с предварительным преобразованием энергии в другой вид. По такому принципу работают гидроаккумулирующие электростанции: в период, когда есть избыток электроэнергии, она расходуется для привода насосов,
перекачивающих воду из нижнего водохранилища в верхнее. В период недостатка электроэнергии вода, перетекая из верхнего водохранилища в нижнее, вырабатывает электроэнергию в гидротурбинах. Разработка новых эффективных и экономичных систем аккумулирования энергии является четвертой проблемой.
В последние годы в связи с намечающимся исчерпанием запасов нефти и газа и, как следствие, их подорожанием возник интерес к созданию искусственных жидких топлив и энергоносителей, которые могли бы заменить используемые сегодня топлива в тех случаях, когда иные формы энергоснабжения неприемлемы. Источниками энергии для получения таких искусственных жидких топлив (ИЖТ) и энергоносителей должны явиться уголь, запасы которого во всем мире все еще очень велики, и ядерная энергия. При этом уголь в большинстве случаев целесообразно перерабатывать для получения углеводородных ИЖТ, а с помощью ядерной энергии получать из воды водород, который по мнению многих специалистов мог бы в будущем стать универсальным энергоносителем. Эта последняя возможность положила начало развитию концепции так называемой водородной энергетики. Ее преимущества и недостатки оживленно обсуждаются в популярной литературе, и вокруг ее проблем концентрируются усилия многих научных коллективов. Разработку ИЖТ и новых энергоносителей для различных видов потребителей следует считать пятой проблемой энергетики.
Наконец, говоря о проблемах и перспективах энергетики, нельзя сбрасывать со счетов ее воздействие на окружающую среду. Это воздействие многообразно и, к сожалению, как правило, отрицательно. По мере увеличения производства энергии человеком острота этих проблем будет нарастать. Поэтому уже сейчас они заслуживают самого пристального внимания. С другой стороны, многие опасности, связанные с развитием тех или иных отраслей энергетики, искусственно увеличиваются. Правильная ориентация общественного мнения в таких вопросах не менее важна, чем разъяснение возможных вредных последствий развития энергетики.
Авторы будут считать свою задачу выполненной, если читатель заинтересуется проблемами энергетики и сможет хотя бы в некоторой степени в них ориентироваться.
