Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

15. Экологические проблемы энергетики

«И вместе с тем проблема энергии, с нашей точки зрения, может создать серьёзные трудности, а может быть, и поставить границы для развития человечества на Земле. Не нехватка, а избыток энергии, расходуемой на планете, может привести к такой ситуации».

Академик Е.К. Фёдоров

Человек, как и все живые организмы, не может существовать без постоянного потребления энергии. Количество энергии, необходимое че­ловеку в виде пищи, хорошо известно и составляет 2,9 кВт ч/сутки. Но уже в первобытном обществе суммарное потребление энергии каждым индивидуу­мом значительно превышало эту величину. Человеку было недостаточно тепловой энергии солнечного излучения для приготовления пищи, обогрева жилища и т.д. Необходимое дополнительное количество энергии получали за счёт сжигания топлива растительного происхождения.

С увеличением степени развития общества происходил неуклонный рост потребления энергии в целом и в расчёте на каждого человека в отдельности. Развитие ремёсел, торговли, улучшение жилищных условий – всё это требовало дополнительного притока энергии. Появ­ляются первые ветряные и водяные двигатели, способные преобразовывать кинетическую энергию воды и ветра в механическую энергию, ранее получаемую лишь за счёт мускульной силы животных и человека.

Крупнейшим событием в истории развития человечества несомненно явилось изобретение паровой машины. Появилась еще одна возможность получения механической энергии при трансформации химической энергии топлива. При работе тепловой машины дважды происходит процесс превращения энергии, на первом этапе химическая энергия топлива превращается в тепловую энергию, которая в дальнейшем трансформируется в механическую энергию.

Следующий важнейший этап развития цивилизации связан с широким использованием электрической энергии. Открытие явления электромагнит­ной индукции, создание электрогенераторов и электродвигателей значи­тельно расширили возможности использования и преобразования тепловой и механической энергии.

С пуском 27 июня 1954 года в г. Обнинске первой атомной электро­станции была открыта дорога к использованию ядерной энергии в мирных целях.

В 80-х годах прошлого столетия произошло кардинальное изменение во взглядах на энергетические ресурсы. Во всем мире увеличился интерес к альтернативным источникам энергии. Началось движение за экономию энергии, за увеличение эффективности её использования.

15.1. Роль энергетики в экономике

Энергетика в значительной степени определяет уровень развития экономики в целом. На протяжении всей истории человечества энергопотребление росло быстрее, чем численность населения. Так, если годовой прирост населения за 1960-1975 гг. составил 2,1%, то среднегодовой прирост энергопотребления за этот период составил 4,3%. По мере освоения человеком новых энергоресурсов (солнечное тепло, древесина, уголь, гидроэнергия и энергия ветра, нефть, газ) изменялся топливно-энергетический баланс. В настоящее время происходит очередная перестройка топливно-энергетического баланса мира, которая связана в первую очередь с быстрым развитием энергосбережения, альтернативных источников энергии и ядерной энергетики.

Для прежних масштабов развития энергетики запасы того или иного энергоресурса и возможности для нейтрализации последствий его использования окружающей природной средой могли рассматриваться практически неограниченными. Однако сегодня уже невозможно исходить из этого – масштаб энергопотребления стал столь велик, что одновременно возникли ограничения ресурсного и экологического характера. Технический и социально-экономический прогресс прямо связан с уровнем энергопотребления на душу населения. Наглядным подтверждением этому служат данные, представленные на рис.15.1, которые показывают рост валового национального продукта в зависимости от энергопотребления (в т условного топлива) на душу населения.

В настоящее время энергопотребление распределено по странам земного шара крайне неравномерно (рис. 15.2). Согласно статистическим данным годовое энергопотребление на душу населения для 72% населения мира составляет менее 2 кВт (тепл.) год, для 22% – от 2 до 7 кВт (тепл.) год и только для 6% – около 10 кВт (тепл.) год. Минимум и максимум энергопотребления на душу населения в сегодняшнем мире различаются в 50 раз. Кроме того, сильно варьируются и темпы роста этого показателя по странам.

Рис. 15.1. Связь ВВП (долл. США в ценах 2000 г./чел.) с потреблением

энергетических ресурсов (кг у.т./чел., в мире в 2000 г.)

Рис. 15.2. Потребление энергии в различных странах.

15.2. Основные способы получения энергии

Сжигание ископаемого органического топлива. В настоящее время около 90% всей потребляемой в мире энергии получают из ископаемого органического топлива. Структура потребления первичных энергоресурсов в России и мире (2000г.) представлена на рис.15.3. Свыше трети добываемого в мире топлива сжигается в котлах и топках тепловых электростанций (ТЭС) (рис. 15.4).

Рис. 15.3. Структура потребления первичных энергетических

ресурсов, в %.

Доля электроэнергии в общем балансе использования энергии в мире продолжает неуклонно увеличиваться опережающими темпами. Так, в РФ начиная с 1950 г. доля первичных энергоресурсов, используемых на выработку электроэнергии, увеличилась с 14 почти до 27% (2000г.), а с учётом затрат на производство те­пла на электростанциях – до 50%. И тому есть немало причин. Среди них выделяются следующие:

• электричество – единственный вид энергии, который удаётся производить в больших количествах, передавать на большие расстояния и сравнительно просто распределять между различ­ными потребителями;

• технологии, использующие электроэнергию, обладают меньшей трудоёмкостью по сравнению с технологиями на основе других энергоносителей, что особенно важно в свете растущего дефицита трудовых ресурсов;

• широкая электрификация производственных процессов способствует эффективному росту производительности труда, без электрификации невозможна и компьютеризация производства;

• электроэнергия является универсальным энергоносителем. Универсальность электричества проявляется как в сравнительной лёгкости преобразования в другие формы энергии, так и в возможности использования для получения электроэнергии практически любого первичного источника энергии, рентабельного на данном этапе;

• в сфере энергопотребления электричество выступает как эколо­гически чистый энергоноситель (не учитывая тепловое загрязнение).

Общий коэффициент полезного использования энергии на тепловых электростанциях может быть определён из коэффициента превращения энергии на отдельных стадиях этого процесса. Преобразование химической энергии в тепловую в мощных паровых котлах протекает с КПД = 88%. В паровой турбине в среднем 42% тепловой энергии превращается в кинетическую. КПД электрогенератора значительно выше и составляет 98%. Таким образом, суммарный КПД превращения химической энергии в электрическую в этом цикле составит всего 36%.

КПД_тэс = 0,88 0,42 0,98 100% = 36%

На некоторых лучших отечественных тепловых электростан­циях удаётся повысить КПД до 40%. Но и в этом случае примерно, 60% тепла, полученного при сжигании топлива, «используется» лишь для теплового загрязнения окружающей среды.

Рис. 15.4. Тепловая электростанция, работающая на угле: 1 – уголь; 2 – топка с котлом и пароперегревателем; 3 – турбина; 4 – генератор; 5 – трансформатор; 6 – конденсаторы; 7 – градирня; 8 – зола; 9 – труба.

Однако необходимо чётко представлять себе, что это не резуль­тат недостаточной изобретательности инженеров, проектирующих тепловые электростанции, а следствие второго закона термодинамики – одного из законов природы, ограничивающего наши возможности по преобразованию энергии.

Первый закон термодинамики утверждает, что внутренняя энергия системы (U) является функцией состояния и её изменение определяет­ся разностью между количеством тепла dQ, сообщённым системе, и работой dA, совершённой системой:

dU = dQ – dA

Второй закон термодинамики утверждает, что невозможно создать машину, единственным результатом которой было бы совершение работы, эквивалентной количеству тепла, полученного от нагревателя. Этот закон определяет условия работы тепловых двигателей.

Тепловая энергия Q₂, получаемая от нагревателя, преобразуется в работу А и отходящее тепло Q₁. Так как при циклическом процессе тепловой двигатель должен вернуться в начальное состояние, то

Q₂ = Q₁ + A

Согласно второму закону термодинамики Q₁ не может быть равно 0 и, следовательно, часть энергии неизбежно передаётся в окружающую среду.

Эффективность теплового двигателя определяется как отношение совершённой полезной работы к количеству энергии, полученной им от нагревателя, т.е.

КПД = A/Q₂

Ни один тепловой двигатель не может иметь более высокий КПД, чем идеальная машина Карно, или, как часто говорят, цикл Карно. КПД цикла Карно определяется разницей температур нагревателя и холодильника:

КПД_Карно = ,

где: Т₂ и Т₁ – температуры нагревателя и холодильника соответственно.

Отсюда любая тепловая машина, преобразующая тепловую энергию в механическую, будет иметь КПД меньше, чем .

Простой анализ показывает, что КПД рассматриваемого преобразования энергии будет увеличиваться с ростом температуры нагревателя и уменьшением температуры холодильника.

Для реальных установок верхний предел определяется конструкционными особенностями современных материалов и составляет для тепловых электростанций примерно 600^оС. Нижний предел – это температура окружающего воздуха, воды, грунта и т.д., куда отводится отходящее тепло при работе машин, и эта температура реально не может быть ниже 10-20^оС (примем её равной 15^оС). Отсюда теоретический КПД сов­ременной тепловой машины мог бы составить:

КПД_теор = = 100 = 67%

Таким образом, даже только теоретически возможная машина будет выде­лять в окружающую среду, примерно, треть тепловой энергии топлива. В реальных условиях эта величина примерно в два раза выше.

КПД тепловой машины мог бы быть равен 100%, если бы температура холодильника равнялась абсолютному 0 К. Но это противоречит третьему закону термодинамики, который утверждает, что невозможно понизить температуру системы до абсолютного нуля за конечное число ступеней.

Важное направление повышения общего коэффициента полезного использования тепловой энергии топлива связано с созданием теплоэлектроцентралей (ТЭЦ). ТЭЦ отличается от обычных теплоэлектростанций тем, что в их задачу входит снабжение потребителей не только электроэнергией, но и теплом. На ТЭЦ осуществляется совместное получение электроэнергии и тепла. При этом общий КПД исполь­зования тепловой энергии топлива поднимается в 1,5 - 1,7 раза и до­стигает на лучших ТЭЦ 70%.

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов лекций