Каковы перспективы теплоэнергетики?

Коль скоро появились такие направления развития энергетики, как атомные электростанции, управляемый термоядерный синтез, парогазовые установки, методы прямого преобразования тепловой энергии в электрическую и другие, может быть, и не стоит сколько-нибудь подробно останавливаться на теплоэнергетике, которая долго и надежно служит людям и которая теперь кое-кому, возможно, кажется устаревшей?

С нашей точки зрения, такой взгляд на теплоэнергетику был бы ошибочным. Для объективного суждения по этому (как и по любому другому) вопросу развития техники необходимо рассмотреть следующие стороны дела: технико-экономические показатели теплоэнергетики в сравнении с альтернативными методами, ресурсное обеспечение (в данном случае обеспечение топливом), трудности и недостатки, свойственные теплоэнергетике (особенно с экологических позиций).

Однако прежде чем останавливаться на этих вопросах (ниже им будет отдано должное), целесообразно напомнить читателю о важных особенностях тепловой энергии.

Наука и опыт утверждают, что невозможно всю имеющуюся в нашем распоряжении тепловую энергию превратить в механическую, электрическую или другие виды энергии, тогда как обратное преобразование других видов энергии в тепловую возможно без всяких ограничений. Естественно, возникает вопрос: в чем причина этого? Может быть, тепловая энергия в чем-то весьма существенно отличается от других видов энергии?

Для ответа на этот вопрос мы вспомним гениального француза Сади Карно, родившегося в 1796 г. и умершего в 1832 г., т. е. прожившего всего 36 лет. В 1824 г. С. Карно написал свое единственное, но замечательное произведение «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», которое издал на свои средства.

В этой книге С. Карно высказал очень важную мысль о том, что для получения механической энергии из тепла необходимо иметь разность температур. С. Карно объяснял (во всяком случае в то время, когда писал книгу) тепловые явления с позиций теплорода - гипотетической, невесомой, не уничтожаемой и не возникающей заново жидкости, перетекание которой из одного тела в другое означает, согласно широко распространенному в то время взгляду, переход тепла.

Поэтому С. Карно считал, что количество тепла, получаемого и отдаваемого телом при производстве механической энергии, равно. Механическая же энергия получается благодаря тому, что тепло (теплород, по С. Карно) переходит от более высокой температуры к более низкой, так же, как вода, перетекая от более высокого уровня к более низкому, может произвести механическую работу.

Следовательно, тепло, по С. Карно, может само собой переходить только от более нагретого тела к менее нагретому. Если же нужно передать тепло от менее нагретого тела к более нагретому, то при этом не только не может быть получена механическая энергия, но, наоборот, ее необходимо израсходовать. Кстати говоря, в настоящее время такой процесс широко применяется в холодильных машинах.

Эти идеи С. Карно, несмотря на то что теория теплорода давно отвергнута, вошли в науку краеугольным камнем как второе начало (второй закон) современной термодинамики. Они имели огромное, определяющее значение для развития теории тепловых двигателей. Полностью сохранили они свое значение и теперь.

С точки зрения современной науки тепловая энергия есть не что иное, как сумма энергий мельчайших частиц тела: атомов, молекул, электронов и др. Следовательно, современное представление о природе тепловой энергии основано на общепринятом теперь дискретном строении материи.

В газе, например (газ выбран только лишь потому, что по отношению к нему все объяснения проще и нагляднее), мельчайшие частицы находятся в беспорядочном, хаотическом движении, а энергия каждой из них определяется скоростью и положением относительно других частиц ('Потенциальной энергии частицы).

Движение мельчайших частиц газа является, как уже сказано, беспорядочным, хаотическим. Как заметил австрийский физик Л. Больцман, единственным законом этого движения является отсутствие всякого закона.

Задача определения тепловой энергии газа, например путем суммирования энергий составляющих этот газ мельчайших частиц вещества, кажется после всего сказанного невероятно трудной. Особенно если вспомнить, что в одной грамм-молекуле газа, т. е. в газе, масса которого (в граммах) равна его молекулярному весу, содержится около 6,02x10²³ молекул. Число это (именуемое в честь итальянского ученого А. Авогадро числом Авогадро) так велико, что трудно даже проиллюстрировать всю его величину. Заметим только, что если расстояние от Земли до Солнца, равное примерно 150 млн. км, выразить в миллиметрах, то полученная цифра (1,5х10¹⁴ мм) будет в 4 млрд. раз меньше числа Авогадро.

Лучшей, с нашей точки зрения, иллюстрацией, показывающей очень малые размеры молекул и огромное их число в единице объема, является пример, предложенный известным английским физиком У. Томсоном (Кельвином). Если взять стакан воды, говорит У. Томсон, каким-либо образом пометить все находящиеся в нем молекулы, вылить этот стакан воды в океан и хорошо перемешать, то в каком бы месте Мирового океана ни почерпнуть заново стакан воды, в нем окажется около ста меченых молекул (точнее, скорее всего от 90 до 110).

Тем не менее трудную задачу по определению тепловой энергии массы вещества того же газа решить удалось. Этот успех является большим достижением важной области физики, именуемой статистической физикой. За этим успехом стоят имена крупнейших ученых разного времени.

Статистическая физика, рассматривая вещество состоящим из совокупности очень большого числа мельчайших частиц (вспомним число Авогадро!), т. е. принимая за основу дискретное строение вещества и используя законы теории вероятностей, тем более точные, чем большее число объектов (молекул, атомов) рассматривается, а при количестве объектов порядка числа Авогадро практически совершенно точные, дает возможность решать многие важные задачи и уж во всяком случае составить правильное представление о существе тепловой энергии и тепловых процессов.

Термодинамика и статистическая физика - науки, решающие разными способами близкие, а иногда и совпадающие по смыслу задачи,- дает возможность ответить на поставленный выше вопрос: не является ли тепловая энергия в чем-то весьма существенном отличной от других видов энергии?

Ответ такой: да, является. Сущность этого отличия заключается в том, что тепловая энергия - результат неупорядоченного движения мельчайших частиц вещества, в то время как другие виды энергии - результат упорядоченного движения.

Более ста лет назад был установлен фундаментальный закон физики - закон сохранения энергии, согласно которому энергия не может быть уничтожена или получена из ничего, она может лишь переходить из одного вида в другой.

В начале XX в. великим ученым-физиком Альбертом Эйнштейном была разработана и опубликована теория относительности, давшая новое представление об общих свойствах пространства и времени и, в частности, показавшая, что при изменении скорости движения тел изменяются их протяженность и промежутки времени и что j масса тела пропорциональна запасенной в нем энергии. !

Иными словами, А. Эйнштейн установил взаимопревращаемость энергии и массы. Уменьшение массы тела или системы тел на 1 г приводит к выделению энергии, равной 9x10¹³ Дж, что эквивалентно теплотворной способности 3000 тут.

В большинстве макроскопических процессов изменением массы тела можно пренебречь, но только не при ядерных превращениях. При анализе ядерных процессов используется специальный термин «дефект массы», под которым подразумевается уменьшение массы вещества в ядерной реакции и соответствующее увеличение энергии.

Теория относительности А. Эйнштейна является развитием представлений И. Ньютона о пространстве, времени и тяготении. Новые законы движения, установленные А. Эйнштейном, при скоростях, гораздо более малых, чем скорость света (напоминаем, что скорость света в вакууме равна 300 тыс. км/с), сводятся к законам И. Ньютона.

Из сказанного следует, что А. Эйнштейн, установив взаимопревращаемость энергии и массы, расширил рамки закона сохранения энергии, который теперь следует формулировать в общем случае как закон сохранения энергии и массы. Следует помнить при этом, что во всех тех случаях, когда практически сохраняют силу законы движения И. Ньютона, старая формулировка закона сохранения энергии является пригодной. Таких случаев большинство.

Разумеется, на тепловую энергию наряду со всеми другими видами энергии полностью распространяется закон сохранения энергии как в прежней его формулировке, так и в дополненной на основе представлений А. Эйнштейна. Это означает, что тепловая энергия не может быть уничтожена или получена из ничего, а может быть только преобразована в любые другие виды энергии и что другие виды энергии могут быть преобразованы в тепловую.

Однако, как о том сказано выше, тепловая энергия имеет существенное отличие от других видов энергии, обусловленное тем, что в основе ее лежит неупорядоченное движение мельчайших частиц вещества. Порядок просто превратить в хаос, упорядочить же хаос гораздо труднее. Все виды энергии легко и полностью превращаются в тепловую, и лучший пример этого - вездесущее трение. Тепловая же энергия не всегда, но всегда не полностью превращается в другие виды энергии. Условия превращения тепловой энергии в другие виды энергии определяются вторым законом термодинамики.

Следовательно, закон сохранения энергии, частным случаем которого является первый закон термодинамики, устанавливает взаимную превратимость всех видов энергии. Второй же закон термодинамики, существо которого было установлено С. Карно еще до того, как был сформулирован закон сохранения энергии, определяет важную особенность тепловой энергии и ограничения в отношении ее превращения в другие виды энергии.

Термодинамикой установлено, что для непрерывного получения механической энергии из тепловой необходимо иметь три основных элемента: резервуар тепла с относительно высокой температурой, резервуар тепла с более низкой температурой и так называемое рабочее тело, непрерывно совершающее круговой процесс или цикл, с помощью которого тепловая энергия превращается в механическую.

В результате совершения кругового процесса рабочее тело, что касается его свойств, возвращается в исходное состояние. Следовательно, механическая энергия не может производиться за счет рабочего тела: сколько бы раз ни совершался цикл, состояние рабочего тела в сходных точках не изменяется. Оно является не более чем инструментом, с помощью которого происходит преобразование энергии. Экономичность процесса преобразования энергии теоретически не зависит от выбора рабочего тела. Практически же свойства рабочего тела весьма существенно влияют на КПД цикла. Наибольшее применение в качестве рабочего тела имеют продукты сгорания топлива, в двигателях внутреннего сгорания (автомобиль, самолет, теплоход, тепловоз и др.) и водяной пар в энергетических теплосиловых установках. Реже используются углекислота и гелий (главным образом АЭС), фреон и аммиак (в холодильных установках) и немногие другие.

Однако главным производителем механической энергии из тепловой является не рабочее тело, а резервуары тепла, или, как их обычно называют в термодинамике, источники тепла.

Как следует из второго закона термодинамики, источники тепла обязательно должны иметь различную температуру: один из них - более высокую (горячий источник), второй - более низкую (холодный источник). В каждом цикле от горячего источника передается рабочему телу определенное количество тепла, а от рабочего тела переходит в холодный источник также определенное, но всегда меньшее количество тепла.

Так как рабочее тело после завершения цикла возвращается в исходное состояние, то произведенная за один цикл механическая энергия обязательно должна быть равна разности двух количеств тепла: полученного от горячего источника и переданного холодному.

При этом мы молчаливо допускали, что потери на трение и другие отсутствуют. Но так как на самом деле потери имеются всегда, то реально получаемая механическая энергия меньше разности двух количеств тепла на величину потерь.

В этом заключается существо процесса непрерывного производства механической энергии из тепловой в тепловом двигателе.

КПД описанного процесса зависит в первую очередь от температур источников тепла. Для повышения КПД температура горячего источника должна быть как можно выше, а холодного - как можно ниже.

Что касается холодного источника тепла, то здесь выбирать не приходится. Этим источником всегда является окружающая среда - вода и воздух.

Иначе обстоит дело с горячим источником. Конечно, он может быть избран из числа созданных природой: энергия Солнца или тепло глубинных слоев Земли. Но по причинам, о которых будет сказано ниже, в настоящее время в подавляющем большинстве случаев используются искусственные, созданные человеком источники тепла: в результате сжигания органического топлива или как следствие проведения экзотермической (т. е. выделением тепла) управляемой ядерной реакции в атомном реакторе. В первом случае может быть достигнута температура порядка 3000°С, а во втором - можно сказать, неограниченно высокая.

Теоретически для повышения КПД процесса, как уже сказано, всегда выгодно увеличивать начальную температуру. Практически же повышение начальной температуры имеет предел. Во-первых, он зависит от реальных технических возможностей материалов, а во-вторых, от их цены. Выше уже говорилось, что в теплосиловых установках начальная температура водяного пара во всех странах в настоящее время принимается близкой «всего лишь» к 540°С; дальнейшее увеличение ее вызывает такое возрастание стоимости металла, которое не оправдывается повышением КПД.

Ввиду важности вопроса мы хотим повторить, что с точки зрения возможности преобразования тепла в работу температура горячего источника имеет большое значение. Как удачно замечают М. А. Стырикович и Э. Э. Шпильрайн, если иметь источник тепла с температурой 400К (400-273=127°С), т. е. с температурой, примерно равной температуре некоторых геотермальных источников, и если принять температуру среды, рассматриваемой как холодный источник, равной 300 К (27°С), то из 1 Дж тепловой энергии можно получить не более 0,25 Дж механической энергии (См.: Стырикович М. А., Шпильрайн Э. Э. Энергетика. Проблемы и перспективы. - М.: Энергия, 1981. - С. 68). Если же горячий источник тепла имел бы температуру 1000К (727°С), то из 1 Дж тепловой энергии можно было бы получить до 0,7 Дж механической энергии. Тепловая энергия при температуре окружающей среды, т. е. в случае, когда нет двух источников тепла с различными температурами, не может быть использована для производства механической энергии.

На рис. 2 представлена схема устройства ТЭС. Органическое топливо (уголь, газ, сланцы или мазут - остаток, образующийся в результате отгонки из нефти бензина, керосина и других легких фракций) подается в топку котла 5 и там сжигается. За счет выделяющегося в процессе горения тепла подаваемая насосом 4 в котел вода нагревается и испаряется, образуется насыщенный пар (Насыщенный пар имеет температуру насыщения, величина которой зависит от давления: чем больше давление, тем выше температура насыщения). В пароперегревателе 1 температура пара повышается до требуемой величины. Далее пар поступает в паровую турбину 2, в которой его тепловая энергия превращается в механическую. В электрическом генераторе, ротор которого приводится во вращательное движение турбиной, механическая энергия превращается в электрическую. Выходящий из турбины пар поступает в конденсатор 3, по трубкам которого прокачивается охлаждающая вода, ее температура близка к температуре среды - летом потеплее, зимой похолоднее. Вода из конденсатора подается в котел. Цикл замыкается.

Рис. 2. Схема устройства ТЭС

Обсудим теперь поставленные выше вопросы. Первый из них касается технико-экономических показателей теплоэнергетики. Эффективность теплоэнергетических установок определяется в первую очередь стоимостью установленного киловатта

(т. е. величиной капитальных вложений) и себестоимостью выработанной электроэнергии

Часто используется комбинированный показатель, учитывающий как размер удельных капитальных вложений

так и себестоимость электроэнергии

. Этот показатель, именуемый приведенными, или расчетными, затратами, вычисляется по формуле

где τ( ч/год ) - число часов работы тепловой электростанции в год на полной мощности; φ(1/год) - коэффициент, представляющий собой обратную величину срока окупаемости (обычно принимается равным 0,15, что соответствует 7 годам окупаемости). Срок окупаемости капитальных вложений для предприятия представляет собой частное, числителем которого являются капитальные вложения, необходимые для строительства данного предприятия (электростанции), а знаменателем - прибыль, получаемая в течение года 6 результате работы предприятия (электростанции).

Таким образом, первое слагаемое уравнения приведенных затрат представляет собой не что иное, как своеобразный налог, которым облагается каждая единица выпускаемой продукции (в данном случае киловатт-час электроэнергии), величина которого выбирается с таким расчетом, чтобы за время, равное сроку окупаемости, суммарная величина «налога» равнялась бы капитальным вложениям на строительство электростанции.

Разумеется, чем меньше величина приведенных затрат, тем лучше. Поэтому она является важным аргументом при решении вопроса о том, какому типу электростанций в каждом частном случае следует отдать предпочтение. Конечно, величина срока окупаемости (или обратной ему величины φ) должна быть реальной, но директивной. Обычно величина срока окупаемости задается одинаковой по крайней мере для данной отрасли производства.

Как же выглядят, исходя из изложенных выше соображений, тепловые электростанции (ТЭС) по сравнению с гидравлическими (ГЭС) и атомными (АЭС)? Совсем неплохо. Удельные капвложения для ТЭС существенно ниже, чем для ГЭС и АЭС. Сроки строительства ТЭС значительно короче. Что касается себестоимости вырабатываемой электроэнергии, то она ниже всего для гидростанций. Стоимость электроэнергии для ТЭС и АЭС отличается не очень существенно, но все-таки ниже для АЭС.

Из всего сказанного никак нельзя сделать вывод, что один из типов электростанций (ТЭС, ГЭС или АЭС) всегда или даже в подавляющем большинстве случаев экономически выгоднее. Очень многое зависит от места расположения. ГЭС, например, разумеется, можно строить только на реке, а ТЭС экономически целесообразно строить вблизи (не слишком далеко) расположения ресурсов (добычи) топлива. В противном случае вследствие больших расходов на его перевозку стоимость топлива, а вместе с ней и себестоимость электроэнергии будет выше. Исходя из вопросов безопасности АЭС нельзя строить вблизи населенных пунктов.

Таким образом, выбор типа станции в большой мере зависит от места ее предполагаемого размещения. В целом ТЭС являются вполне конкурентоспособными. Этот вывод подтверждается следующей таблицей.

Близкая к представленной картина свойственна энергетике большинства развитых стран.

Рост общего производства электроэнергии (млрд. кВтхч) в США, Японии и СССР (с использованием прогнозных данных МАГАТЭ (МАГАТЭ - Международное агентство по атомной энергии).) виден из следующей таблицы:

Вопрос о ресурсах топлива был ранее подробно рассмотрен. Нет необходимости еще раз к нему возвращаться. Напомним только, что ресурсы органического топлива хотя и не безграничны, но весьма значительны, их хватит энергетике не на одно столетие.

Третий вопрос - о трудностях развития теплоэнергетики - касается в первую очередь экологических проблем и является, вероятно, самым сложным. Энергетика, конечно, не единственная область производства, для которой особенно важно делать все возможное для уменьшения (а если можно - ликвидации) вредного воздействия на среду. Но все же теплоэнергетике (о которой сейчас идет речь) принадлежит одно из незавидных первых мест в загрязнении среды.

Главный источник загрязнения среды в теплоэнергетике - газообразные продукты сгорания органического топлива, выбрасываемые через дымовую трубу. Следовательно, прежде всего подвергается загрязнению воздушная среда.

В случае, когда в дымовых газах имеются твердые частицы, они могут быть относительно просто, практически полностью задержаны золоуловителями, имеющими высокий КПД. К сожалению, на некоторых ТЭС, где установлены золоуловители, они находятся в столь плохом состоянии, что пропускают много летучей золы. Это означает, что здесь отсутствует элементарный порядок.

На большинстве ТЭС в результате хорошо организованного процесса горения топлива все, что может и должно сжигаться, действительно сжигается. Другими словами, происходит полное сгорание топлива и в продуктах горения не остается или, по крайней мере, очень мало остается продуктов неполного сгорания: окиси углерода (СО) и сажи.

Гораздо труднее бороться с окислами азота и особенно серы. Окислы азота образуются при сжигании топлива в зонах высокой температуры. В настоящее время разрабатываются эффективные способы их уничтожения или недопущения их образования.

Разумеется, загрязнение атмосферы в решающей мере зависит от того, какое топливо используется. С точки зрения экологии идеальным топливом является природный газ, почти полностью состоящий из метана (СH₄). Если же в природном газе содержится сера, то ее следует извлекать, как это и делается у нас на Оренбургском газовом месторождении. Дело выгодное, заслуживающее всемерного развития, разумеется, для природного газа, содержащего серу. Получаемая при этом чистая сера - ценный продукт, пользующийся в промышленности широким спросом.

Самое трудное дело - извлечение серы из продуктов сжигания сернистого угля. К сожалению, не созданы еще экономически выгодные (хотя бы приемлемые) способы решения этой задачи. Работа в этом направлении ведется.