Способы преобразования энергии. Потребляемая энергия производится в результате преобразования разных видов внутренней и потенциальной энергии разных ее источников. Различают три основных способа ее преобразования. Первый из них заключается в получении тепла при сжигании топлива (ископаемого или растительного) и потреблении его для обогревания жилых домов, школ, промышленных и других зданий. Второй способ – преобразование внутренней энергии топлива в механическую работу. Например, сжигание продуктов переработки нефти обеспечивает движение различных видов транспорта: автомобилей и тракторов, поездов и самолетов. Третий способ – преобразование тепла, выделяемого при сгорании топлива или делении ядер, в электрическую энергию с последующим ее потреблением для различных целей.
Электроэнергия производится и при преобразовании энергии падающей воды, ветра и Солнца. Она играет роль своеобразного посредника между источниками энергии и его потребителями (рис 6.1). Как посредник на рынке ведет к повышению цены товара, так и потребление энергии в виде электрической приводит к росту ее цены по двум причинам: из-за неизбежных трат на её производство и необратимых потерь при преобразовании.
В то же время во многих случаях очень трудно и даже невозможно эффективно использовать энергию, не превратив ее в электрическую. Так, до открытия электричества энергия падающей воды, или гидроэнергия приводила в движение прядильные машины, мельницы и лесопилки. И потребители энергии находились вблизи ее источников. После преобразования гидроэнергии в электрическую сфера ее применений значительно расширилась: стало возможным потребление электроэнергии не только прядильными машинами, мельницами, лесопилками, но и многими электрическими приборами, аппаратами и устройствами, работающими только на электроэнергии, вне зависимости от того, на каком расстоянии от источника энергии они находятся. Электрическая энергия как посредник играет важную роль и при преобразовании ядерной энергии на атомных электростанциях.
С течением времени мировое потребление основных видов энергоресурсов менялось и продолжает меняться – одни из них уменьшались, а другие увеличивались. Так, в период с 1900 по 2005 гг. во всем мире доля каменного угля сократилась с 65 до 20 %, древесины в виде дров и органических отходов – с 38 до 12 %, а природного газа, наоборот, возросла с 2 до 25 %. Потребление природного газа достигло максимума в конце 1970-х годов и в дальнейшем постепенно уменьшалось. В последние два десятилетия во многих странах активно осваиваются возобновляемые природные энергоресурсы.
В конце прошлого века стабилизировалось энергопотребление на душу населения в мире. В 2000 г. оно составило в среднем 2,35 т условного топлива. Однако распределение энергопотребления по разным странам весьма неравномерное: его минимум (0,3 т) приходится на Мали, максимум (11 т) – на США, а в России этот показатель – 6,8 т, из которых 2/3 идет на отопление жилых и промышленных зданий, а остальная треть на производство электрической энергии.
Прогнозируется ежегодный прирост энергопотребления в мире до 2030 г. на 1,8 %. При этом 25 % произведенной энергии будет потреблять транспорт, 35 % – промышленность, 40 % – сельское хозяйство и бытовая техника. А потребление каменного угля с применением новых технологий будет ежегодно расти на 2,5 %. Рост добычи природного газа в ближайшее время составит 2,1 % в год. При таком развитии энергетики, как следствие, существенно возрастут выбросы диоксида углерода в окружающую среду, в основном, из-за роста потребления угля.
Химические процессы и производство энергии. В недалеком прошлом во многих промышленно развитых 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 прошлом веке сопровождалось приблизительно десятикратным увеличением потребления всех видов энергии.
Химические процессы – сжигание нефтепродуктов, природного газа и угля – обеспечивают производство значительной части энергии во всем мире. Солнечная и тепловая энергия преобразуется в электрическую также путем химических превращений. Химические технологии лежат и в основе разработки высококачественных теплоносителей и термостойких материалов для современных энергетических агрегатов. Следовательно, прогресс в развитии энергетики во многом зависит от достижений наукоемких технологий.
Первый энергетический агрегат промышленного масштаба, или паровая машина была создана во второй половине XVIII в. английским изобретателем Джеймсом Уаттом (1736–1819). Тепловая энергия в ней превращалась в механическую работу паровоза. С паровой машиной долгое время конкурировало водяное колесо, приводящее в движение разные механизмы. Гораздо позднее, в середине XIX в. была собрана первая гальваническая батарея – источник электрического тока. В поисках более эффективных источников тока для телеграфной связи немецкий электротехник и промышленник Вернер Сименс (1816–1892) изобрел в 1866 г. динамомашину – генератор тока, ставший отправной точкой для новых исследований и разработок многочисленных генераторов электрического тока, которые сейчас широко используются для разных целей. Электроэнергия в те времена производилась в небольших количествах и была слишком дорогой. Так, в середине XIX в. алюминий и магний, полученные электрохимическим способом, стоили дороже золота и платины. С модернизацией и совершенствованием генератора электрического тока энергия постепенно дешевела, что способствовало бурному развитию многих отраслей промышленности.
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 6.2, где даны энергозатраты в тоннах на 1 т продукции. Например, для производства 1 т карбида кальция или хлора требуется не менее 3500 кВт-ч электроэнергии, а 1 т алюминия или магния – 1418 кВт-ч. Расходы на электроэнергию в производстве промышленной продукции составляют существенную часть общих затрат. Так, при синтезе карбида кальция затраты на электроэнергию равны почти половине его себестоимости, поливинилхлорида и полиэтилена – 35–50 %, а ацетальдегида – 45–70 %. С производством каждой тонны азотного удобрения для сельскохозяйственных угодий «закапывается» в землю немало электроэнергии.
Одна из важнейших задач развития химической и других отраслей промышленности заключается в модернизации их технической базы с целью экономии и сбережения электроэнергии на всех технологических стадиях производственного процесса, что позволяет сохранить энергетические ресурсы при минимальном антропогенном воздействии на окружающую среду.
Тепловые электростанции. Химический процесс – сжигание топлива лежит в основе работы тепловых электростанций. В наше время существенная доля электроэнергии производится именно на таких электростанциях, где при сжигании ископаемого топлива получаются тепло и пар, подаваемый на турбогенераторы, вырабатывающие электроэнергию. При этом используются уголь, нефтепродукты (обычно мазут) или природный газ, а на атомных электростанциях – ядерное топливо.
Принципы работы различных электростанций во многом совпадают, отличаясь лишь способом получении тепла от первичного источника – органического либо ядерного топлива. При сжигании топлива или делении атомных ядер выделяемое тепло нагревает воду, из которой образуется пар (рис. 6.3). Водяной пар с высокой температурой и под высоким давлением подается на турбину, сопряженную с генератором электрического тока. Отработанный пар после турбины 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 поступала, либо пропускается через градирни для охлаждения и повторного использования в конденсаторе. Вода, образовавшаяся из сконденсированного пара, возвращается в котел, и тепловой цикл электростанции снова повторяется.
КПД современной тепловой электростанции последней модификации приближается к 40 %. На электростанциях на органическом топливе охлаждающей воде передается более половины тепловых отходов, а остальное неиспользованное тепло рассеивается через дымовые трубы. Тепловые отходы на атомных электростанциях поглощает в основном вода, охлаждающая конденсаторы.
Громадное количество производимой электрической энергии неизбежно влечет за собой сброс чрезвычайно больших тепловых отходов в реки, водоемы и в атмосферу. Сбрасываемое тепло приводит к тепловому загрязнению окружающей среды. Такое 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 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 наземных и водных экосистем.
Кроме того, тепловые электростанции – источник колоссального количества диоксида углерода, диоксида серы и других газов, загрязняющих атмосферу. Всё это означает, что производство энергии на тепловых электростанциях без их технологической модернизации – не самый лучший, эффективный и экологически чистый способ. В этой связи продолжается разработка более эффективных и экологически безопасных способов производства энергии. И один из них уже внедряется в парогазовых установках с высоким коэффициентом полезного действия.
Библиографические ссылки
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов, 13-е изд. М.: Директ-Медиа, 2018.
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Практикум, 6-е изд. М.: Директ-Медиа, 2016.
Карпенков С.Х. Экология. Учебник в 2-х кн., 2-е изд., М.: Директ-Медиа, 2017.
Карпенков С.Х. Экология. Практикум, 2-е изд. М.: Директ-Медиа, 2022.
Карпенков С.Х. Экология. Учебник для бакалавров. М.: Логос, 2014.
Карпенков С.Х. Технические средства информационных технологий. 4-е изд. М.: Директ-Медиа, 2021.
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Справочник. М.: Высшая школа, 2004.
Карпенков С.Х. Незабытое прошлое. М.: Директ-Медиа, 2015.
Карпенков С.Х. Воробьёвы кручи. М.: Директ-Медиа, 2015.
Карпенков С.Х. Русский богатырь на троне. М.: ООО «Традиция», 2019.
Карпенков С.Х. Стратегия спасения. Из бездны большевизма к великой
России. М.: ООО «Традиция», 2018.
Карпенков С.Х. К истории одного преступления // Уничтоженные как класс. М.: ООО «Традиция», 2020. С. 3 – 65.
Степан Харланович Карпенков
Русская Стратегия | 
