Экологические проблемы энергетики

Энергетика
Экологические проблемы производства энергии
Изменение климата и Киотский протокол
Проблема теплового загрязнения
Экологические проблемы тепловой энергетики
Экологические проблемы ядерной энергетики
Альтернативный источник энергии
Возобновляемые источники энергии
Ветроэнергетика
Геотермальная энергетика
Энергия приливов и отливов морей и океанов
Гидроэлектростанции (ГЭС)
Биоэнергия
Ядерная энергетика.
Водородная энергетика
Основные способы получения энергии
Анализ процессов трансформации энергии

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%.

КПДтэс = 0,880,420,98100% = 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.

Подпись: 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:

КПДКарно = ,

 

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 600оС. 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 10-20оС (примем её равной 15оС). Отсюда теоретический КПД сов­ременной тепловой машины мог бы составить:

КПДтеор == 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%.

Еще одно направление повышения КПД ТЭС и ТЭЦ связано с совершенствованием технологии сжигания топлива. В первую очередь это относится к установкам по сжиганию угля, которых в настоящее время большинство, как в нашей стране, так и в мире в целом. Одним из перспективных методов получения тепловой энергии из угля считается сжигание его в кипящем слое. В этом случае частицы угля поддерживаются в камере сгорания во взвешенном состоянии (в так называемом кипящем слое) потоком воздуха. В таких  аппаратах удаётся сформировать однородный профиль температуры во всей топке котла.

Расчёты и эксперименты показывают, что при сжигании угля в установках с кипящим слоем, КПД преобразования химической энер­гии в тепловую может быть повышен до 99%, а общий КПД ТЭС, ис­пользующих эту технологию, может достигнуть 45%, что примерно на 10% больше, чем у обычных ТЭС.

Кроме повышения КПД, использование котлоагрегатов с топками кипящего слоя позволяет значительно снизить загрязнение атмосферы при работе ТЭС. Помимо снижения выбросов оксидов азота за счёт лик­видации локальных перегревов в топочной камере добавки в кипящий слой известняка или других материалов обеспечивают связывание и удаление SO2 уже в процессе сжигания.

Значительное повышение КПД преобразования химической энергии в электрическую может быть получено при использовании на ТЭС магнитно-гидродинамических генераторов (МГД-генераторов). Электрический ток в МГД-генераторе вырабатывается в процессе прохождения рабочей жидкости или газа через магнитное поле, в результате элект­ромагнитного взаимодействия между ними. В этом случае осуществля­ется прямое преобразование тепловой энергии в электрическую. Использование МГД-генератора последовательно с паротурбинными установками позволяет довести общий КПД преобразования энергии до 60%.

[an error occurred while processing this directive]