КПД энергетических установок, тепловых машин и преобразователей энергии

Наименование	КПД, %
достигнутый	возможный
Тепловые электростанции: паротурбинные с МГД-генераторами с термоэмиссионными модулями с газотурбинными установками с парогазовыми установками	40...42 36...40 41...45 24... 30 42...46	43...45 55...60 48...52 32...36 45...50
Теплоэлектроцентрали	66...70	72... 77
Атомные электростанции	30... 36	40...41
Двигатели внутреннего сгорания: тихоходные дизели быстроходные дизели дизели с наддувом карбюраторные двигатели	32... 39 32...41 42...45 25... 30	35...41 36...43 48...50 28...32
Газотурбинные установки	31...37	38...40
Установки прямого преобразования энергии: МГД-генераторы топливные элементы термоэлектрические генераторы термоэмиссионные преобразователи фотоэлектрические преобразователи	32... 38 60...70 20... 25 17...20 10... 15	50...55 80... 85 30...35 30... 35 20...25

Продукты сгорания из камеры попадают в разгонное сопло. По выходе из него газ попадает в МГД-канал, в котором происхо­дит отвод генерируемой электрической энергии. КПД преобра­зования энергии пока составляет несколько процентов [13].

Электрохимические генераторы. Это устройства, преобра­зующие химическую энергию непосредственно в электричес­кую. Первые электрохимические генераторы назывались галь­ваническими элементами [13].

Топливные элементы (ТЭ). В ТЭ электрический ток гене­рируется за счет регулируемого «электрохимического сжигания» топлива. Реакция происходит в системе топливо—электролит— окислитель. ТЭ — электрохимический элемент, отличающийся тем, что активные вещества подаются извне, а материал элект­родов в электрохимических превращениях не расходуется.

Достоинствами ТЭ являются высокий КПД (около 60 %), от­сутствие подвижных частей, бесшумность, отсутствие выделе­ния теплоты с отработавшими продуктами (H₂О иCO₂), способ­ность работать при комнатных температурах.

К недостаткам ТЭ относятся их ограниченный срок службы, относительно высокая стоимость газообразного топлива и по­лучаемой электроэнергии (2000 долл./(кВт · ч)) [12].

Заключим обзор преобразователей энергии сводными данны­ми [7] об их КПД (табл. 1.3).

1.4.2. Аккумулирование энергии и аккумуляторы

Аккумулирование энергии. Значение аккумулирования энергии для электроэнергетики постоянно возрастает. Суще­ствующие проблемы, например связанные с неравномерностью потребления электроэнергии в течение суток, удалось бы разре­шить при наличии недорогого электрического аккумулятора большой емкости с достаточно высоким КПД.

Предоставление автомобильному транспорту малогабаритно­го и легкого электрического аккумулятора большой емкости с высоким КПД способствовало бы применению электромоби­лей, значительному снижению загрязнения воздуха и потребно­сти в нефтяном топливе.

Рассмотрим некоторые способы аккумулирования энергии.

Аккумулирование энергии на гидроаккумулирующих электростанциях (ГАЭС). Это емкие аккумуляторы энергии. Когда снижается потребность в электроэнергии, ее излишек ис­пользуется для перекачки воды из нижнего резервуара в верх­ний, т.е. избыточная электрическая энергия превращается в по­тенциальную механическую. При повышенном спросе на элек­троэнергию осуществляется перепуск воды из верхнего резерву­ара в нижний, и гидротурбогенераторы направляют энергию в сеть. Самая мощная (1872 МВт) ГАЭС возведена в США. ГАЭС вырабатывают там 2 % всей электроэнергии страны [13].

Аккумулирование энергии в сжатых газах. Излишняя электроэнергия применяется для нагнетания воздуха под давле­нием в подземную полость-хранилище. Когда запасенную энер­гию нужно использовать, сжатый воздух направляется в газотур­бинную установку, вырабатывающую электроэнергию. Общий КПД такого способа аккумулирования энергии 70 % [13].

Аккумулирование энергии с помощью маховиков. Акку­мулятор представляет собой маховик, раскручиваемый до высо­кой частоты вращения. Этот способ аккумулирования имеет ряд достоинств: высокий КПД (до 90 %), бесшумность, отсутствие загрязнений и быстрота зарядки, однако с ростом частоты вра­щения маховика возможен его разрыв.

Данный принцип аккумулирования энергии удобен для реа­лизации на автомобильном транспорте. Применение маховико­вых накопителей способствует повышению экономичности ав­тотранспортных средств (АТС) благодаря возможности исполь­зования аккумулированной энергии в нужный момент, особен­но при движении АТС с частыми остановками и разгоном, ког­да необходимо выводить двигатель из зон его работы с низким КПД. Маховиковой накопитель позволяет осуществлять рекупе­ративное торможение, повышая КПД автомобиля. Этот накопи­тель энергии наиболее эффективен в сочетании с бесступенча­той трансмиссией.

Электрические системы аккумулирования энергии. Про­стейшим аккумулятором является конденсатор, обеспечиваю­щий значительную нагрузку в течение нескольких микросекунд, например, в системе зажигания ДВС.

Что касается электрохимических аккумуляторов, то при их зарядке электрическая энергия преобразуется в химическую, а при разрядке происходит обратный процесс.

Основным недостатком существующих электрохимических аккумуляторов является низкое значение удельной (на 1 кг мас­сы аккумулятора) запасаемой энергии. Если попытаться создать из современных материалов мощный аккумулятор для приведе­ния в движение автомобиля с запасом хода в сотни километров, то масса аккумулятора будет соизмерима с массой перевозимо­го груза.

Свинцово-кислотный аккумулятор обладает удельной энер­гией немногим более 100 кДж/кг, дорогостоящий серебряно-кадмиевый — около 400 кДж/кг. Поэтому АТС с электрохими­ческими аккумуляторами находят пока ограниченное примене­ние. Из перспективных разработок, направленных на обеспече­ние большой удельной энергоемкости, быстрой зарядки и воз­можности глубокой разрядки, известны железоникелевые, хлорно-цинковые, натрий-серные, алюминий-воздушные варианты аккумуляторов.

Тепловые аккумуляторы используют энергию Солнца: днем запасают теплоту, а ночью отдают ее. Они подразделяются на две группы:

• накапливающие теплоту путем нагревания рабочего тела (вода, щебень);
• запасающие теплоту в результате перехода рабочего тела (соли) из одного агрегатного состояния в другое (при этом тем­пература тела изменяется незначительно).

Передача теплоты потребителю от аккумуляторов первой группы происходит при охлаждении рабочего тела, а от акку­муляторов второй группы — при возвращении тела в исходное агрегатное состояние.

1.5. Энергетика

Процесс энергообеспечения экономики и общества.

Энергоресурсы, энергоносители, энергия являются сырьем, продуктами энергетического комплекса. Процессы воспроиз­водства, доставки, преобразования, распределения, передачи и конечного потребления энергоресурсов представляют собой стадии единого процесса энергообеспечения общества.

Воспроизводство первичных энергоресур­сов. Эта стадия начинается с разведки запасов. Результатом разведки является прирост запасов энергоресурсов, которые подразделяются на категории в зависимости от их изученности и подготовленности к эксплуатации: А — детально разведанные и подготовленные; В — геологически обоснованные и относи­тельно подготовленные; С — предполагаемые и слабо разведан­ные; D— предполагаемые исходя из геологической изученно­сти местности. Эти категории, вместе взятые, составляют дос­товерные запасы.

Выделяют также прогнозные запасы. Сумма достоверных и прогнозных запасов представляет собой общегеологические за­пасы. Та их часть, которая может быть использована для разра­ботки в настоящее время, называется балансовыми запасами [21].

Стадия воспроизводства включает в себя добычу минераль­ного топлива и привлечение нетопливных энергоресурсов: гидро, ветроэнергии и др.

Доставка энергоресурсов к установкам, пре­образующим энергию. Доставка осуществляется с помо­щью транспортных магистралей: железных дорог, трубопроводов, водных путей и др.

Преобразование и производство вторичных энергоресурсов. На данной стадии проводятся:

• переработка угля с целью получения высококачественных топливных и химических продуктов;
• переработка нефти и производство из нее бензина, кероси­на, мазута и смазочных масел;
• выработка электрической и тепловой энергии на электро­станциях и в котельных;
• вовлечение в хозяйственный оборот тепловых отходов — горючих или горячих газов, отработанного пара энергоустано­вок и др.

Распределение и передача энергии конеч­ным энергетическим установкам. Эти процессы осу­ществляются с использованием транспортной инфраструктуры, и главную роль здесь играют электрические и тепловые сети.

Конечное потребление. На данной стадии энергообес­печения подведенная энергия может преобразовываться еще раз (например, энергия топлива — в механическую энергию), но мо­жет потребляться и без изменения ее формы (отопление).

Энергетика и ее отрасли. Традиционные отрасли энергети­ки — электро-, тепло-, гидро- и атомная энергетика. Ведущей, включающей в себя компоненты других отраслей, является электроэнергетика, охватывающая производство, пере­дачу и распределение электроэнергии. Теплоэнергетика занимается производством, передачей и распределением тепло­вой энергии. Гидроэнергетика решает проблемы преоб­разования потенциальной энергии водных ресурсов в электро­энергию. Атомная энергетика связана с преобразова­нием ядерной энергии в тепловую и электрическую энергию.

Электроэнергетика хорошо освоена за время ее существова­ния. Основная доля электроэнергии вырабатывается на элект­ростанциях. В традиционной энергетике в мировом масштабе преобладает теплоэнергетика: на базе нефти в мире производит­ся 39% электроэнергии [26].

Нетрадиционная электроэнергетика оперирует традицион­ными методами, но первичными ресурсами здесь служат источ­ники энергии либо местного значения (ветровые, солнечные), либо осваиваемые (например, ТЭ), либо перспективные (пред­назначенные для водородной и термоядерной энергетики). От­личительными признаками нетрадиционной энергетики явля­ются экологическая чистота, большие удельные затраты на стро­ительство и малая мощность установки.

Отдельными отраслями энергетики считают автономную энергетику (например, гелиоэнергетику), не имеющую связи с линиями электропередачи (ЛЭП), а также — малую энергетику (аккумуляторы, батареи).

Электроэнергетика и ее виды. Ключевыми элементами электроэнергетики являются электростанции. Их классифици­руют по видам первичных ресурсов и преобразователей.

Для выработки электростанцией мощности 1 ГВт необходим следующий суточный расход ресурсов: угля — 6750 т при КПД 0,4; нефти — 4600 т (КПД 0,4); изотопа урана ²³⁵U— 3 кг или 430 кг природного урана (КПД 0,3); дейтерия — 1 кг или 30 м³ морской воды (КПД 0,3) [13].

В мире 90 % электроэнергии вырабатывается на ТЭС, из них, %, путем сжигания нефти — 39, угля — 27 и газа — 24. АЭС про­изводят 7 % электроэнергии, а ГЭС — 3 % [26].

Теплоэнергетика. Основа современной энергетики — ТЭС. В энергетическом балансе России выработка электроэнер­гии на ТЭС составляет 69 % [13]. Их суммарная мощность дос­тигает 4 ГВт; 60 % ТЭС работают на природном газе, 30 % — на угле и 10 % — на мазуте [12]. ТЭС преобразуют энергию топли­ва сначала в механическую, а затем электрическую энергию. Механическую энергию получают с помощью паровых и газо­вых турбин.

На тепловых конденсационных электрических станциях основные процессы теплового цикла паросиловых установок происходят в следующих элементах: в парогенераторах — под­вод теплоты, в турбинах — расширение пара, в конденсаторах — охлаждение. Более 90 % ТЭС в России применяют паросиловые установки. Их КПД достигает 40 % [13].

В газотурбинных установках (ГТУ) в качестве рабочего тела используется смесь продуктов сгорания топлива с воздухом или нагретый воздух при большом давлении и высокой температу­ре. Теплота газов преобразуется в кинетическую энергию вра­щения ротора турбины. Газовые турбины компактнее паровых и ДВС аналогичной мощности, и их КПД превышает 35 %. ГТУ широко применяются на транспорте.

Отработавшие в ГТУ газы имеют высокую температуру, что неблагоприятно сказывается на КПД термодинамического цик­ла¹. Совмещение газо- и паротурбинных агрегатов позволяет на 8... 10 % повысить топливную экономичность установки, назы­ваемой в этом случае парогазовой (ПГУ), и снизить общую сто­имость вырабатываемой энергии на 25 %.

В ПГУ часть теплоты, получаемой при сжигании топлива, расходуется на образование пара, который затем направляется в турбину. Отработавшие в турбине газы используются для по­догрева питательной воды. ПГУ могут работать и по такой схе­ме, в которой отработавшие газы поступают в паровой котел. КПД ПГУ составляет 55...60 % [12].

¹Будет рассмотрено в гл. 2 и 3.

ТЭС, вырабатывающая как электрическую, так и тепловую энергию, называется теплоэлектроцентралью (ТЭЦ). Всеми ТЭЦ производится 40 % общего количества теплоты для про­мышленных комплексов и городов [7].

Гидроэнергетика. Доля электроэнергии, вырабатывае­мой ГЭС, составляет в мире 14% [13], а в России —19% [12]. ГЭС выгодно отличаются от тепловых электростанций с точки зрения возможности регулирования частоты, покрытия пико­вых нагрузок и обеспечения аварийного резерва энергосистемы.

С помощью плотины создается перепад уровней воды. Вода под напором направляется в турбину, преобразующую энергию движения потока в энергию вращения вала с ротором генера­тора. Генератор преобразует энергию вращения вала в электро­энергию. Мощность гидротурбин достигает сотен мегаватт, а КПД — 96 %. Самая большая ГЭС (мощностью 12,6 ГВт) рас­положена в Бразилии. В России действуют 98 ГЭС общей мощно­стью 44 ГВт, самая крупная из них — Саяно-Шушенская (6,4 ГВт).

Затраты на сооружение ГЭС в несколько раз превышают ана­логичные затраты на ТЭС той же мощности. Однако низкие эксплуатационные затраты обусловливают невысокую себесто­имость электроэнергии. Недостаток ГЭС — влияние водохрани­лища на окружающую среду (затапливание земель).

Атомная энергетика. Доля АЭС в мировом производ­стве электроэнергии составляет около 14 %; при этом их доля в России - 12,5 %, Литве - 97 % [12, 13].

Термический КПД АЭС, имеющих в качестве теплоносите­ля воду, приблизительно равен 30 %. АЭС используются в сис­темах электро- и теплоснабжения населения, в мини-АЭС — на морских судах для электропривода гребных винтов. В России действуют АЭС общей мощностью 21 ГВт.

Ветроэнергетика. Ветер — результат неравномерного превращения тепловой энергии, поступающей от Солнца, в ки­нетическую энергию масс воздуха. Суммарная энергия этих масс в 100 раз больше энергии рек [13]. Недостатки ветроэнер­гетики связаны с возможностью выработки энергии только в ветреную погоду, высокой себестоимостью электроэнергии, со­зданием шума и электромагнитных помех на телерадиочастотах. КПД ветроустановок не превышает 0,4.

Геотермальная энергетика. Теплота геотермальных месторождений может обеспечить получение большого количе­ства электроэнергии. На глубине 5 км количество теплоты в тысячи раз превышает энергию всех запасов угля, нефти и газа. Пар (с температурой до 300 °С) можно извлекать из недр, про­бурив скважину. В мире работают 20 геотермальных электро­станций общей мощностью 1,5 ГВт. На Камчатке действует Паужетская электростанция мощностью 11 МВт [13].

Приливная энергетика. Энергия приливов еще в дав­нее время использовалась для приведения в действие различных механизмов, мельниц, лесопилок. Достоинство приливных электростанций (ПЭС) состоит в том, что их работа не зависит от случайных погодных условий. Недостаток ПЭС — неравно­мерность их работы в течение лунных суток и лунного месяца. Крупнейшая ПЭС находится во Франции; ее мощность состав­ляет 240 МВт. В России на побережье Баренцева моря эксплу­атируется Кислогубская ПЭС с суммарной мощностью турбин 800 кВт [13].

Автономные источники электрической энер­гии. К автономным источникам электроэнергии относятся пе­редвижные электростанции, работающие от ДВС, гальваничес­кие элементы и аккумуляторы, а также солнечные батареи. Ма­логабаритные источники питания имеют важное значение для работы переносных приборов. Распространение получили эле­менты одноразового использования. Аккумуляторы длительно­го действия применяются для питания более энергоемких по­требителей электрической энергии: небольших помещений, ав­томобилей и др.

Передача и распределение электрической энергии. Элек­троэнергия передается в основном с помощью ЛЭП переменно­го тока. Выбор напряжения ЛЭП определяется передаваемой мощностью и расстоянием. Используются линии низкого (до 1 кВ), среднего (3...35 кВ), высокого (ПО...220 кВ), сверхвысо­кого (330... 1000 кВ) и ультравысокого (1000... 1150 кВ) напряже­ний. ЛЭП позволяют объединять электростанции в единую энергетическую систему (ЕЭС).

Известны ЛЭП постоянного тока. Благодаря тому, что в них отсутствуют реактивные составляющие, исключается необходи­мость в синхронизации работы генераторов различных электро­станций. Такие линии перспективны для передачи энергии на расстояния более 3000 км. Однако повсеместное использование переменного тока, вынуждающее прибегать к преобразованию постоянного тока в переменный при подключении к ЕЭС, де­лает применение этих ЛЭП пока экономически не оправдан­ным.

Распределение энергии потребителям в электрических се­тях осуществляется подстанциями, рассчитанными на напря­жение менее 650 В.

Электроэнергия — энергия нашего времени. Применение электроэнергии способствовало развитию промышленности, автоматизации производства, внедрению информационных тех­нологий (ИТ), повышению комфортности быта людей. Совре­менная электроэнергетика основана на использовании больших энергосистем, обслуживающих регионы и страны. На выработку электроэнергии в мире направляется до трети всех энергоре­сурсов.

Электроэнергия может превращаться простыми способами и без больших потерь в любые виды конечной энергии. Ее при­менение в различных процессах позволяет легко регулировать их. Она незаменима для обеспечения электронных, электрохи­мических, высокотемпературных и механических процессов, ос­вещения и связи.

Управление социально-экономическими и производствен­ными системами немыслимо без ИТ, позволяющих обрабаты­вать чрезвычайно большие объемы информации, и телекомму­никаций, ускоряющих оборот информации, вместе обеспечи­вающих синхронизацию и оптимизацию всей системы управ­ления.

Более широкое использование электроэнергии в сфере быта связывается с механизацией и автоматизацией труда в домаш­нем хозяйстве, проникновением в быт людей информационных технологий, повышением качества образования, медицины и отдыха. Рабочая сила превращается в человеческий капитал — эффективный производственный фактор [21].

Передача органических энергоносителей. При транспор­тировании нефти через океан танкерами наиболее экономич­на перевозка крупными судами. Водоизмещение танкеров мо­жет составлять более 500 тыс. т. Проблемы, возникающие при таких перевозках, связаны с авариями танкеров.

При передаче нефти и газа трубопроводами для преодоле­ния гидродинамического сопротивления, обусловленного вяз­костью, требуется насосная перекачка. Вязкость потока особен­но значительна при низких температурах.

Передача природного газа осуществляется либо по газопро­водам, либо океанскими танкерами в сжиженном виде. Одним из крупнейших в мире является газонефтепровод, связывающий Уренгой с Западной Европой.

Затраты на транспортирование некоторых видов энерго­носителей (в относительных единицах) таковы: метан (по тру­бопроводу) — 1,0; бензин (танкерами) — 3,0; электроэнергия (по высоковольтным линиям) — 6,6.

1.6. Энергетика и прогресс общества

1.6.1. Топливные эры и технологические уклады

Уровень цивилизации связан с тем, какие виды энергоресур­сов используются, какими методами и в какие виды конечной энергии они преобразуются, а также какова эффективность применения конечной энергии. Показателем уровня развития общества является расход первичных энергоресурсов на душу населения. Передовые страны расходуют в год 5... 6 т у. т. на че­ловека, отсталые — менее 2...3 т у.т. [21].

Использование топлива для выработки теплоты, приготовле­ния пищи и изготовления орудий труда восходит к временам, от­даленным на десятки тысяч лет. Тогда началась эпоха дров {пер­вая топливная эра).

Первоначально уголь использовался лишь при отсутствии дров. Его применение достигло больших масштабов в XVIв., что и открыло эпоху угля {вторая топливная эра), а затем приве­ло к первой промышленной революции.

Во второй половине XIXв. началась эпоха нефти {третья топливная эра). Появление ДВС обусловило вытеснение угля как источника для выработки механической энергии.

Природный газ стал конкурировать с нефтью в 30-х гг. XXв. В настоящее время эти два вида энергоресурсов, которыми представлено углеводородное топливо, обеспечивают 60 % об­щемирового потребления энергоресурсов, а в России — более 70 %, тогда как на уголь в развитых странах приходится не бо­лее 30 % общего потребления энергоресурсов.

Экономический рост подвержен цикличности. Это вызвано изменениями как в экономическом поведении агентов, так и в существующих технологиях. Долгосрочные колебания темпов экономического роста согласуются со сменой технологических укладов — поколений применяемых технологий. Каждому ук­ладу соответствует свой тип потребления, стиль жизни людей, уровень развития производственной инфраструктуры, а также состав и эффективность использования энергоносителей. Раз­личают пять технологических укладов [21].

Первый соответствует расцвету текстильной промышленно­сти и характеризуется применением дровяного топлива и энер­гии водяного колеса. Основной вид транспорта — водный.

Второй уклад связан с созданием парового двигателя. Бурно развиваются угольная промышленность, черная металлургия и машиностроение, распространяется железнодорожный транс­порт (ЖДТ). В этот период происходит первая промышленная революция, начинается урбанизация общества.

Третий технологический уклад примечателен развитием ста­лелитейного производства, электроэнергетики и неорганичес­кой химии. Распространяется автомобильный транспорт, хотя преобладает железнодорожный. В рамках этого уклада насту­пает третья топливная эра. Начинается становление сферы услуг.

Четвертый уклад связан с широким внедрением и использо­ванием механических транспортных средств, развитием органической химии и цветной металлургии. Распространяются новые строительные технологии и материалы. Развивается сфера услуг и бытовая техника. На транспорте начинают доминировать ав­томобили; становится обычным авиатранспорт.

Пятый технологический уклад отмечен революциями в сфе­рах информатики и управления. Развиваются телекоммуника­ции, ИТ, роботостроение, сервис (бизнес информационных ус­луг и развлечений). Осваиваются новые материалы: керамика, композиты и др.

В каждый период в данной экономической системе, как пра­вило, сосуществуют три технологических уклада: доминирую­щий, предыдущий (приходящий в упадок) и новый, находящий­ся в стадии становления. В экономически развитых странах в настоящее время происходит процесс смены четвертого тех­нологического уклада пятым. В России третий технологический уклад, достигнув зрелости к концу 1960-х гг., продолжает доми­нировать и сейчас. Существует острая необходимость в преодо­лении этого отставания [21].