Занятие 5
Поддержание жизнедеятельности человека вне зависимости от природно-климатических условий, а тем более производственная деятельность невозможны без энергопотребления. Использование и способность человека поддерживать внешние источники энергии выделяет человека из всех биологических организмов. Это использование рассматривается как начало социальной, отличной от свойственной всем живым организмам биологической, эволюции человека.
Началось использование внешних источников энергии с овладением человеком умения разжигать огонь. С того момента возникла потребность в наличии топлива. Выработка энергии и потребление топлива росли с развитием производственной деятельности человека. Причём рост выработки энергии опережал рост населения. И в ХХ веке при увеличении населения Земли в 4 раза выработка энергии увеличилась в 6 раз. В технологически развитых и имеющих высокий уровень жизни странах выработка и потребление энергии значительно более высокое.
Рисунок 1. Производство электроэнергии на душу населения в отдельных государствах
Вместе с ростом выработки энергии возникают и различные проблемы. К ним относятся сокращение доступных запасов энергоносителей, рост связанного с получением различных видов энергии загрязнения, необходимость более высокого перевода полученной энергии в работу.
Выработка энергии стала составлять отдельную отрасль производственной деятельности, она названа топливно-энергетическим комплексом (ТЭК). К ТЭК относятся сами объекты получения энергии, а также добыча и транспортировка энергоресурсов. По масштабности и силе воздействия на окружающую среду ТЭК занимает одно из ведущих мест. ТЭК затрагивает все составляющие окружающей природной среды, а также многие виды антропогенной деятельности.
С ростом выработки энергии, а также с технологическим прогрессом изменяется характер и вклад различных её источников, это показано на рисунке 2.
Рисунок 2. Изменение выработки энергии за счёт различных её источников
Также стараются добиться более высокого выхода энергии на единицу массы энергоносителя. Примером можно считать использование углеродного топлива. Это топливо содержит углерод со степенью окисления ниже +4, при реакции с кислородом он переходит в степень окисления +4, ей соответствует углекислый газ. При реакции углерода с кислородом выделяется энергия, она названа теплотой сгорания. Теплота сгорания углеродного топлива зависит от его элементного состава, определяется по формуле:
Q=339,5Cp+1256Hp+109(Sp-Op)-25,8(9Hp+Wp), [кДж/кг], где
Ср, Ор, Sp, Hp – процентное содержание углерода, кислорода, серы, водорода
Wp – влажность топлива в процентах.
Коэффициенты при процентах элементов – вклад каждого элемента в общую теплоту сгорания топлива
Из формулы видно, что наличие в топливе углерода и водорода повышает его теплоту сгорания, наличие кислорода, а также влажность и несгорающие примеси теплоту сгорания снижают. Поэтому по мере возможности переходят к топливу с большим содержанием водорода и меньшим – кислорода. Необходимость перехода к топливу с большей теплотой сгорания (более высококалорийному) связана прежде всего с ростом потребления энергии для производственных целей и сокращением запасов ранее используемых энергоносителей.
Так, древнейшим видом топлива была растительная биомасса, в т.ч дрова. Растительное вещество отличается большим содержанием кислорода и влажностью, теплота сгорания его не превышает 10∙106 Дж/кг. Такая же теплота сгорания у торфа и бурого угля, имеющих биогенное происхождение и содержащих несгораемые примеси пустой породы. С XV века началось использование ископаемого каменного угля, первоначально для выплавки железа, где уголь используется как топливо и восстановитель для металла. Каменный уголь содержит 60-70% углерода при значительно меньшей доле других элементов, что повышает теплоту сгорания. Для угля она составляет 20 – 25∙106 Дж/кг. Каменный уголь был основным топливом и для паровых двигателей. Ещё более высокая теплота сгорания у жидкого и газового топлива, массовому использованию которого с конца XIX века способствовало распространение двигателей внутреннего сгорания. В жидких и газовых топливах больше доля водорода, благодаря чему теплота сгорания 40∙106 Дж/кг. Ещё больше теплота сгорания может быть у газовых топлив, к которым добавляется водород.
Кроме повышения теплоты сгорания, возрастает и доля тепловой энергии, переходящая в работу, т.е. коэффициент полезного действия. В частности для парового двигателя он не превышает 10%, для двигателя внутреннего сгорания приближается к максимально возможному в тепловых машинах значению в 25%. Максимально возможные коэффициенты полезного действия реализуются в электрических двигателях, начавших применяться одновременно с двигателями внутреннего сгорания. Существуют ещё и возможности повышать переход тепловой энергии сгорающих газов в другие виды с использованием топливных элементов. Эти элементы переводят тепловую энергию непосредственно в электрическую. Лучшие результаты получены для водородно-воздушного топливного элемента.
Все используемые энергоносители имеют свои достоинства и недостатки. После физической силы человека и животных и сжигания растительного топлива для производственных целей была использована энергия движущейся воды и ветра. К настоящему времени за счёт воды и ветра вырабатывается 10% мировой энергии, сама же её абсолютная величина не изменялась. Несмотря на преимущество в виде отсутствия загрязнений при получении, неограниченных запасов, использование энергии воды и ветра имеет и значительные недостатки. Прежде всего это зависимость от климатических условий. Немалое воздействие оказывает и сооружение гидроэлектростанций на крупных равнинных реках. При этом для водохранилищ затапливаются территории, создаются условия для загрязнения воды, от скопления больших масс воды активизируются тектонические процессы.
80% мировой вырабатываемой энергии имеет своим источником ископаемое углеродное топливо. За ХХ век возрастало значение нефти и газа, это связано с меньшими затратами на их добычу и возможностью транспортировки по трубопроводам. Также жидкое и газовое топливо отличается наименьшими твёрдыми выбросами. Значительным преимуществом ископаемого углеродного топлива стало его универсальное применение. Для используемых на транспорте двигателей внутреннего сгорания всё еще не разработана дешёвая и сопоставимая по возможности альтернатива. В то же время использование ископаемого углеродного топлива сопровождается газовыми и твёрдыми выбросами. Запасы топлива имеют темпы исчерпания большие, чем темпы накопления. Ресурсы ископаемого топлива таким образом выглядят ограниченными, но запасы угля значительно больше по сравнению с нефтью и газом. Предполагается, это показано и на рисунке 2, что в дальнейшем будет расти использование угля. Это связано как с ростом выработки энергии в развивающихся странах, так и с появлением новых способов его использования, например подземной газификации на месторождениях.
С 1950-х г.г. используется ядерная (атомная) энергия. Её источник – цепная реакция деления атомных ядер элементов с большими значениями атомной массы и протонов в ядре, практическое применение получили уран, плутоний, торий. Атомная энергия отличается наиболее высоким из известных выходом на единицу массы вещества-энергоносителя. Выделяется в 10 тысяч раз больше энергии, чем при сжигании той же массы ископаемого углеродного топлива. Тем не менее, атомная энергия имеет значительно меньшее применение по сравнению с другими видами, на неё приходится 10% мировой выработки, но имеется тенденция к росту её абсолютного значения и процента. Основное использование атомной энергии приходится на развитые в технологическом отношении страны, которые обычно отличаются и высоким энергопотреблением. Но возможности применения атомной энергии значительно более узкие по сравнению с другими видами. Используется атомная энергия для получения электричества и в меньшей мере тепла.
Атомная энергетика связана со значительными рисками, также большими по сравнению с остальными источниками. Это обеспечение безаварийной работы, снижение радиационного воздействия. При работе атомных электростанций и хранении отработанного ядерного топлива образуются радиоактивные газы и летучие вещества – криптон-85, иод-131, радон и т.д (цифра означает число протонов и нейтронов в ядре атома). Они могут внедряться в биологический кругооборот (иод, углерод, радон), менять физические параметры атмосферы. Отработанное ядерное топливо содержит долгоживущие радионуклиды, также способные внедряться в биологический кругооборот, при радиационных авариях этим опасны цезий-137 и стронций-90. Всё обостряется проблема хранения выделяемых из ядерного топлива нуклидов, в настоящее время не имеющих практического применения (радиоактивных отходов). Для их хранения используются отработанные шахты и дно океана, сами отходы переводятся в твёрдое подобное бетону состояние, устойчивое к внешним воздействиям. По соображениям безопасности атомные электростанции размещают на малонаселённых территориях.
Перспективным считается использование энергии Солнца и энергии внутреннего тепла Земли. Как для воды и ветра, получение такой энергии не сопровождается загрязнениями, запасы её неограниченны. Но и их недостатки также аналогичны энергии воды и ветра – это зависимость от климатических условий, возможность применения только для получения электричества и тепла, низкая концентрация в объёме окружающей среды. На квадратный метр земной поверхности приходится 0,16 кВт энергии Солнца, в то время как для угольных месторождений обеспеченность энергией на единицу площади составляет до 500 кВт на квадратный метр. Ограничивает возможность использования солнечной энергии также низкий коэффициент полезного действия и большие затраты материалов на преобразующее оборудование. Неодинаковая суточная и сезонная интенсивность солнечного излучения, обратная потребности в энергии, создаёт необходимость в наличии аккумуляторов. Теми же недостатками обладает и использование энергии ветра. При нынешней ситуации использование энергии Солнца, ветра, внутреннего тепла Земли выгодно прежде всего для маломерных потребителей, находящихся в условиях невыгодного подключения к централизованным энергосистемам.
Значительным перспективным энергоносителем считается водород. Преимущества водорода также заключаются в его неограниченных запасах, в отсутствии загрязнений при использовании и большинстве способов получения. Водород рассматривается как альтернативное углеводородам топливо для транспортных двигателей. За счёт своей более высокой теплоты сгорания водород получил применение как горючее для ракет-носителей большой мощности. Разработаны использующие водород двигатели для всех видов транспорта. Но несмотря на все достоинства, водород также имеет недостатки. Это энергозатраты на получение и меньший выход энергии по сравнению с ними. Для ископаемых углеродных топлив затраты на добычу составляют 60-65% от выделенной энергии, а для водорода до 90%. Не разработана и инфраструктура, рассчитанная на использование водорода. Хранение и транспортировка водорода осложняются малой плотностью и высокой химической активностью водорода. Использование водородного топлива требует и изменения конструкции двигателей. Наиболее реализуемым выглядит использование водородно-воздушных топливных элементов, преобразующих химическую энергию реакции газов непосредственно в электрическую.
Ещё одно направление решения энергетической проблемы – снижение потерь энергии, повышение полезного использования.
Другой не менее важный вопрос – хранение энергии в больших масштабах. Применяемые в настоящее время в основном электрохимические аккумуляторы, действие которых основано на протекании реакций в растворах, целесообразны только для маломерных источников. В больших масштабах применяется механическое сохранение – перекачивание воды на верхний уровень гидростанций, сжатие газов с их последующим расширением.