Куда исчезает энергия?

В реках энергетических течение обратное рекам земным. Мощные потоки газа, угля, нефти, воды и ядерного топлива разделяются по перерабатывающим заводам и фабрикам; попадают на электростанции. Потом энергия мелкими речками растекается по предприятии и городам. Ручейки ответвляются к цехам, домам, бензоколонкам. И уже струйки ее попадают в печи, электромоторы, квартиры.

Энергия рассеивается и исчезает.

Исчезает? Где? Насколько полезно мы ее использовали?

За всеми ручейками, текущими вспять, не проследишь. И невозможно выявить все щели и поры, по которым происходит утечка, пропадает добро. Еще труднее рассказать о всех способах борьбы с ненужными потерями. И все же попытаемся пройти по некоторым энергетическим руслам.

Прежде всего около половины всех энергетических ресурсов поступает на выработку электроэнергии, а также нагревание воды и пара как теплоносителей. Все остальное топливо непосредственно сжигается в печах, двигателях. Четверть ресурсов тратится в промышленности, а еще одна четверть - на транспорте, в сельском хозяйстве и коммунально-бытовой сфере.

Такой срез не дает полного представления о том, сколько же в целом какая-либо отрасль потребляет энергии. Например, транспорт или сельское хозяйство не только используют топливо непосредственно, но получают также электроэнергию, горячую воду, пар.

Если учесть и эти поступления, то основным потребителем энергии окажется промышленность - около миллиарда тонн условного топлива в год. Из них около четверти потребляют черная и цветная металлургия, примерно столько же - нефтехимическая и химическая промышленность, включая нефтепереработку, а машиностроение и металлообработка - одну шестую часть.

У энергетиков есть такое понятие - "конечная энергия", то есть энергия на выходе с последней ступени ее преобразования. Она и поступает народному хозяйству. Она может иметь вид электроэнергии, тепла различного потенциала, механической энергии. Доля конечной энергии от первичной, содержащейся в добываемых энергетических ресурсах, составляет всего две пятых. Шестьдесят процентов энергии исчезает на пути к потребителю. Что же происходит дальше?

Рассмотрим пример - сколько энергии нужно для обработки детали на токарном станке. Предположим, из шахты или скважины добыто 100 единиц энергии. Вот ее дальнейшая судьба:

Поступило

100

90 на электростанцию

85 для генерации пара

32 механическая энергия ротора турбогенератора

30 в трансформаторы линии электропередачи

25 на электропривод станка

19 на вращающийся вал станка

1,5 для обточки детали - необходимоя энергия преодоления межлекулярных сил

Потеряно

10 истрачено на собственные нужды: при транспортировке на электростанцию

5 с отходящими дымовыми газами

53 с охлаждающей водой в конденсаторе

2 в электрогенераторе

2 на собственные нужды электростанции

3 при передаче электроэнергии

6 в электроприводе станка 17,5 на преодоление сил трения и отдано охлаждающей воде

Читателю легко подсчитать - всего одна шестьдесят пятая часть энергии пошла на дело, остальная бесполезно рассеялась в пространстве.

Рассмотренная цепочка со столь обескураживающим результатом отнюдь не единственная. Примечательно, что очень часто мы прямо-таки разбрасываемся энергией на последних этапах ее утилизации. Так, в электрических лампах накаливания всего несколько процентов подводимой к ним энергии превращается в свет, остальная же уходит на обогрев атмосферы. При производстве минеральных удобрений лишь около половины энергии идет на получение полезного аммиака, а из них на последнем этапе растениям достается не более двух пятых.

В итоге используется лишь малая часть добытой первичной энергии.

Чем же вызываются такие потери и нельзя ли их уменьшить?

Вернемся к рассмотренному примеру. Для резания металла нужно преодолеть силы межмолекулярного сцепления. Но резец выполняет не только эту работу. Скорее, почти совсем не эту. Резец сминает металл, крошит его, тратит энергию на трение. Хотя исследовательско-конструкторская мысль всячески стремится улучшить процессы резания, они еще очень далеки от совершенства. Поэтому там, где это возможно, применяются и другие методы обработки металла - электроискровой, штамповка деталей из порошков, прокатка.

А потери в электроприводе станка можно уменьшить путем создания более эффективных электродвигателей, шестеренчатых пар, подшипников, смазочных материалов.

Теперь обратимся к самому главному источнику потерь - конденсатору турбины. Более шестидесяти процентов тепла, содержащегося в перегретом паре, не переводится в энергию вращающегося ротора турбины, а выбрасывается здесь в виде тепла при температуре 30- 35 градусов. Такое большое рассеяние энергии в пространстве обусловлено основными законами термодинамики.

Энергетика сегодня и завтра

Более четырех с половиной веков прошло с тех пор, как гениальный мыслитель, художник, инженер Леонардо да Винчи, по сути дела, сформулировал первое начало термодинамики - закон сохранения энергии. Некоторое время тому назад в национальной библиотеке Мадрида были обнаружены две его неизвестные ранее рукописи. Одна из них начинается с вывода о бессмысленности вечного двигателя: "Стремление создать вечное колесо - источник вечного движения - можно назвать одним из бесполезных заблуждений человека. На протяжении многих столетий все, кто занимался вопросами гидравлики, военными машинами и прочим, тратили много времени и денег на поиски вечного двигателя. Но с ними происходило то же, что и с алхимиками: всегда находилась какая-нибудь мелочь, которая якобы мешала успеху опыта. Моя небольшая работа принесет им пользу: им не придется больше спасаться бегством от королей и правителей, не выполнив своих обещаний".

Но не хотели изобретатели внять смыслу слов Леонардо да Винчи. Ведь все на земле вечно: моря, океаны, ветры, реки. Почему бы не быть и вечному двигателю? И появлялись новые и новые проекты.

Через сто лет голландец Симон Стевин написал трактат "Начало равновесия", где высказывалась мысль о невозможности вечного движения. И опять - глас вопиющего в пустыне. Лишь в 1770 году Парижская академия наук постановила не рассматривать проекты вечных двигателей.

Атаки на первый закон термодинамики продолжались еще почти два столетия. Пожалуй, они сошли на нет в основном потому, что внимание неуемных ниспровергателей переключилось на второй закон термодинамики. А ведь и он был сформулирован довольно давно.

В 1824 году лейтенант французского генерального штаба Сади Карно, сын математика Лазаря Карно, издал труд под названием "Размышление о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу".

В этой работе С. Карно доказывал: "Движущая сила тепла не зависит от агентов, взятых для ее развития, ее количество исключительно определяется температурами тел, между которыми в конечном счете и происходит перенос теплорода".

Согласно второму закону термодинамики теплота - это особая форма энергии, и самопроизвольное превращение ее в другие формы невозможно, для этого обязательно нужны какие-либо рабочие тела.

Давайте рассмотрим любой цикл превращения тепла в механическую энергию. В качестве рабочего тела возьмем аммиак, который в теплообменнике разогревается до 127 градусов. Пар направляется в турбину и вращает ее. Затем отработанный пар с температурой 27 градусов переводится в жидкое состояние, отдавая тепло в конденсаторе в окружающую среду. Жидкий аммиак насосом перекачивается в теплообменник-нагреватель. Цикл повторяется снова. Каков же его КПД?

Еще С. Карно определил: в идеальном цикле доля потерянного тепла равна отношению минимальной температуры цикла (выраженной в градусах Кельвина, которые отсчитываются от абсолютного нуля, то есть от минус 273 градуса по шкале Цельсия) к максимальной. В нашем случае это отношение ²⁷³⁺²⁷/_273+127 = ⁴⁰⁰/₃₀₀ = 0.75. Если доля потерянного тепла равна 0,75, то оставшаяся четверть перешла в механическую работу. Это и есть максимальный теоретический КПД такого цикла. Реальный же из-за дополнительных потерь еще ниже и составляет не больше 15 процентов.

Единственный путь увеличения КПД - это повышение максимальной температуры. Если она будет 527 градусов, то доля потерь составит всего ³⁰⁰/₈₀₀ = 0.38. Значит, идеальный КПД: 1 - 0,38 = 0,62, а реальный поднимется до 35-38 процентов. Примерно таков КПД в современных конденсационных станциях, использующих в качестве рабочего тела воду.

Конечно, можно добиваться и более высокого КПД. Однако рост его с дальнейшим повышением температуры замедляется. Подъем температурного максимума еще на 100 градусов даст повышение КПД только на 3 процента. К тому же установка сильно усложнится, придется применять дорогостоящие материалы. По сути дела, 35-38 процентов - это предельный КПД для электростанций с паровыми турбинами.

Столь суровое ограничение побуждает некоторых "изобретателей" как-то обойти второй закон термодинамики.

Известны многочисленные прожекты вечного двигателя второго рода. В отличие от "старых" вечных двигателей для их работы нужна энергия. Но черпать ее предлагают просто из окружающей среды, не производя механическую работу, не организуя потоки тепла от более нагретого тела к холодному. Соответственно никуда не сбрасывается тепло.

Второй закон термодинамики отвергает возможность создания такого двигателя. Как уже отмечалось, доля теряющегося тепла в цикле Карно равна отношению минимальной температуры цикла к максимальной. Но если мы хотим черпать энергию из окружающей среды, не сбрасывая ее, то максимальная температура становится равной минимальной. Следовательно, налицо нулевой КПД.

Хотелось бы сделать небольшое отступление и рассеять одно ложное впечатление, если оно нечаянно возникло. Автор совсем не хотел сказать, что все сложившееся в понимании природы нужно принимать на веру и ни в чем не сомневаться. В сомнениях, неведении есть и хорошая сторона - они дарят неизменную радость открытия. Нельзя терять ощущение своего невежества и менять радость поиска на догму. Сократ слыл мудрецом не потому, что знал все, а потому, что и в самом зрелом возрасте знал, что ничего не знает. И все же, изобретая или шагая к открытию, нужно уважать законы природы.

Значит, нельзя черпать энергию из воздуха, воды, земли вокруг нас? Нет, закон не так суров. Тепло окружающей среды можно утилизовать, но не даром. Для этого нужно произвести работу.

Например, что изменится, если рассмотренный выше цикл с аммиаком провести наоборот? Вот как он тогда будет выглядеть.

Если ранее в теплообменнике-нагревателе мы разогревали аммиак, то теперь подадим в него аммиак, уже разогретый до температуры 65 градусов, и охладим, передав тепло, например, воздуху помещения. Охлажденный до 20 градусов аммиак пропустим через расширитель-дроссель (ранее это был насос). Давление снизится, аммиак охладится до 2 градусов и перейдет в полужидкое состояние. Затем в испарителе (в прямой схеме это был конденсатор) подведем тепло извне из окружающей среды и испарим жидкость. Полученный газ сожмем в компрессоре (ранее это была турбина). Подогретый при сжатии до 65 градусов газ снова направим в теплообменник и тем самым замкнем цикл.

Что же дало нам обращение обычного термодинамического цикла, широко используемого в энергетике? В испарителе мы забрали тепло у окружающей среды при температуре около двух градусов, соответствующей холодному времени года. С помощью другого теплообменника при 65 градусах подогревался воздух в помещении. Значит, можно обогревать жилые дома теплом окружающей среды, которого много, очень много и в воздухе, и в воде рек, озер, морей? Весь вопрос в том, дорого ли это обойдется. Не дешевле ли обогреваться привычным способом, сжигая органическое или ядерное топливо?

Чтобы ответить на этот вопрос, придется проделать нужные вычисления. Цикл у нас обратный, значит, и считать нужно наоборот. Раньше отношение температур было равно отношению потерянной энергии, отданной окружающей среде, к подведенной. Теперь же отношение максимальной температуры к минимальной выражает отношение тепла, подведенного в жилое помещение и забранного у окружающей среды. Для температур 65 градусов и 2 градуса оно равно ²⁷³⁺⁶⁵/₂₇₃₊₂ = ³³⁸/₂₇₅ = 1,25 " Тепла для обогрева помещения получилось на четверть более, чем мы его забрали от окружающей среды. Эта разница и есть та работа, которую мы должны были проделать, чтобы передать тепловую энергию от тела с меньшей температурой к нагреваемому воздуху жилых помещений. В реальных условиях данную работу совершает электромотор, вращающий вал компрессора.

Подобный тепловой насос, перекачивающий тепло окружающей среды на более высокий уровень, использует для обогрева помещений в конечном счете электроэнергию. Не лучше ли обогревать помещения непосредственно с помощью электрокаминов? Оказывается, нет. Тепловые насосы при тех же результатах расходуют электричества вдвое меньше.

В наше время тепловые насосы получили очень широкое распространение. Сейчас их миллионы. Несколько лет назад в мире был настоящий "насосный бум". Особенно выгодны они там, где для отопления использовалась электроэнергия или ценное жидкое топливо,- в США, Великобритании.

В нашей стране, отличающейся широкоразвитой сетью централизованного теплоснабжения, конкурентоспособность тепловых насосов ниже. Ведь во многих городах и микрорайонах больших городов для отопления используется пар, отбираемый из последних ступеней турбогенераторов. Он отдал уже почти всю энергию на вращение ротора турбины, и его все равно предстоит выбросить в конденсатор, где он отдаст тепло окружающей среде. Поэтому гораздо выгоднее термодинамически отобрать его у турбины и использовать для обогрева жилищ.

Но в нашей стране много районов, где нет централизованного теплоснабжения от ТЭЦ и могут оказаться эффективными тепловые насосы - например, если вблизи жилищ есть теплые сбросные воды заводов, фабрик, коммунально-бытовых предприятий. Температурный потенциал сбрасываемого тепла может оказаться недостаточным для жилищ, но тепловому насосу гораздо легче "перекачать" теплую воду на уровень, необходимый для отопления. Слово "легче" здесь означает, что для такой "перекачки" тепла потребуется меньше электроэнергии, чем на нагрев воды до температуры, необходимой в отопительной системе жилья.

Или возьмем ситуацию, когда есть дешевая электроэнергия. Такой она бывает, например, ночью. Тепловой насос в это время может "накачать" в аккумуляторные баки массу горячей воды, достаточную для отопления в течение дня. С помощью дешевой ночной (подпиковой) электроэнергии уже отапливают сельскохозяйственные объекты в Прибалтийских республиках, правда, в небольших количествах. Применение тепловых насосов позволит расширить масштабы применения подпиковой электроэнергии в том регионе, где органическое топливо очень дорого.

Нестандартно, гибко, с учетом всех местных условий должна определяться энергетическая тактика и стратегия для разных районов страны. У меня перед глазами - Якутия и Магаданская область, где совсем недавно я побывал в служебной командировке. Пришлось как раз разбираться с одним из вопросов энергоснабжения.

В этом регионе много полезных ископаемых. По всей территории рассеяны горнодобывающие предприятия. Наиболее интенсивная работа у них летом, когда легче справиться с вечной мерзлотой. Такие районы часто имеют вывернутый график нагрузок: летом электроэнергии потребляется больше, чем зимой.

Сотни мелких котельных дымят всю долгую зиму, обеспечивая отопление жилых домов. Котельные невелики по размерам, и обслуживающего персонала требуется предостаточно - ведь в качестве топлива используется уголь, смерзающийся зимой в твердые глыбы. Более того, уголь нужно доставлять автомашинами по горным трактам иногда за многие сотни километров. И снова нужны автоводители и служащие автопредприятий, а обустройство каждого нового человека на Севере стоит очень дорого и влечет, в свою очередь, дополнительные затраты энергии. Кроме того, автотранспорт нуждается в дизельном топливе, а он здесь особенно дорог. Видите, какая длинная энергодорогостоящая цепочка вытянулась для спасения от зимней стужи. Нет ли способа дешевле?

Ответ напрашивается сам собой - тепловые насосы. И здесь мы сталкиваемся с парадоксальной ситуацией. Руководители, отвечающие за электроснабжение, почти ритуально и с негодованием твердят о "термодинамическом безобразии" использования электроэнергии для отопления.

Но обратите внимание, ведь электроэнергия в этом случае нужна для обогрева ночью, когда она в избытке, а не днем; зимой, а не летом, когда ее потребление возрастает. И дальше: ведь можно будет отказаться при таком (электрическом) способе отопления от части автотранспорта, расхода дизельного топлива, уменьшить количество обслуживающего персонала.

Бернард Шоу сделал правильное наблюдение: "Как только захочется поверить во что-нибудь, сразу видишь все аргументы за и становишься слеп ко всем аргументам против". Не хотелось бы выглядеть слишком увлеченным. Но пусть и оппоненты проявят объективность. Наверное, если бы они ведали не только электроэнергией, но отвечали бы и за тепло, их точка зрения не страдала бы ведомственной ограниченностью.

Куда исчезает энергия?

Как же обстоят дела с тепловыми насосами в нашей стране?

В сущности, они есть сейчас почти в каждой квартире - ведь это наши домашние холодильники. Они перекачивают тепло из одной среды в другую за счет электроэнергии, оплачиваемой по 4 копейки за 1 киловатт-час. Они поднимают температуру в комнатах и понижают в морозильной и холодильной камерах. Отбор тепла из холодильника происходит через теплообменники, расположенные на его задней стенке, поэтому их не всегда и замечают.

Если эти теплообменники холодильника вынести из квартиры и разместить за стеной дома, а через холодильную камеру прокачивать воздух, то получим кондиционер. На изготовлении тепловых насосов подобного типа специализируется Бакинский завод кондиционеров. Их часто можно видеть в окнах домов, особенно в южных районах страны.

Теперь сделаем еще одну операцию - развернем кондиционер наоборот. Тогда охлажденный в камере воздух будет нагреваться не в квартире, а за стенами дома. Наш кондиционер будет отбирать тепло у атмосферы и направлять его в комнату. Конечно, охладить воздух за окнами кондиционеру не удастся - его слишком много.

Что же, мы получили тепловой насос? Не совсем. Настоящий экономичный насос должен быть совершеннее.

Бытовой холодильник не обязан иметь высокий КПД - его мощность относительно невелика. Но кондиционеры и тем более тепловые насосы должны поддерживать температурный режим не в маленьких холодильных камерах, а в просторных квартирах и производственных помещениях. Им надо больше мощности, выше КПД. Установки теряют простоту холодильников, становятся дороже и сложнее в эксплуатации. Это несколько приостанавливает нашествие тепловых насосов.

У нас в стране теплонасосные установки начали распространяться в наиболее выигрышном для них районе. В крымско-кавказской курортной зоне даже в осенне-зимние месяцы имеется безграничный источник тепла - восьмиградусная вода Черного моря. Благодаря тепловым насосам жители Черноморского побережья могут пользоваться дешевой горячей водой.

Для обогрева и получения горячей воды можно приспособить также громадное количество холодильных установок, работающих на фермах, овощехранилищах, хладокомбинатах, в столовых, магазинах. Как же не выбрасывать, а использовать тепло, вырабатываемое в этих тепловых насосах? Требуется лишь некоторая реконструкция. Над ее оптимальными вариантами сейчас и бьются специалисты ГДР, Франции, нашей страны.