Физические основы традиционной и альтернативной энергетики


В.В. ТЕТЕЛЬМИН, В.А. ЯЗЕВ


ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТРАДИЦИОННОЙ И АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ







Издательский Дом
ИНТЕЛЛЕКТ

ДОЛГОПРУДНЫЙ
2016

Рецензент:
Заведующий кафедрой теплотехники и гидрогазодинамики Сибирского Федерального университета, доктор технических наук, профессор
Кулагин Владимир Алексеевич







 Тетельмин В.В., Язев В.А.
    Физические основы традиционной и альтернативной энергетики: Учебное пособие / Тетельмин В.В., Язев В.А. — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2016. — 176 с.
 ISBN 978-5-91559-211-6


    В книге рассмотрены физические основы технологий производства тепловой и электрической энергии из природного топлива, получения энергии с помощью ядерных технологий и гидроэнергетики, а также основы использования возобновляемых источников энергии. Дается описание способов производства и использования метанола и водорода, которые не являются самостоятельными источниками энергии, но являются удобными теплоносителями. Описана история главных физических открытий, которые заложили основу развития современной энергетики, при этом уделяется внимание проблемам обеспечения экологической безопасности.
    Учебное пособие предназначено для студентов инженернофизических, энергетических и экологических специальностей, а также широкого круга специалистов энергетической отрасли.









 ISBN 978-5-91559-211-6

                             © 2015, Тетельмин В.В., Язев В.А.
                             © 2016, ООО Издательский Дом «Интеллект», оригинал-макет

Оглавление

Введение..............................................5

Глава 1. ЭНЕРГИЯ И ЭНЕРГЕТИКА.........................7
       1.1. Определение энергии и энергетики..........7
       1.2. Эволюция использования энергии человеком.12
       1.3. Энергетика и глобальный климат...........17
       1.4. Энергетика будущего......................27
Глава 2. ПРИРОДА СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ...................40
       2.1. Атом и атомное ядро......................40
       2.2. Эквивалентность энергии и массы .........42
       2.3. Большой взрыв и образование Вселенной....45
       2.4. Энергетика Солнца........................47
       2.5. Радиационный баланс земной поверхности...52

Глава 3. ДВИЖЕНИЕ ЭНЕРГИИ И ВЕЩЕСТВА НА ЗЕМЛЕ.............................................56
       3.1. Гёосферы Земли...........................56
       3.2. Энергия биосферы и техносферы............59
       3.3. Фотосинтез — первоисточник жизненной энергии.....................................65
       3.4. Круговорот вещества и энергии в биосфере.68
       3.5. Лунно-солнечные приливы..................71
Глава 4. ИСКОПАЕМЫЕ ЭНЕРГОНОСИТЕЛИ...................74
       4.1. Уголь....................................74
       4.2. Нефть....................................73
       4.3. Природный газ............................78
       4.4. Уран.....................................81
Глава 5. ЭНЕРГЕТИКА ИСКОПАЕМЫХ ТОПЛИВ................84
       5.1. Параметры процессов горения..............84
       5.2. Два начала термодинамики и тепловой двигатель...................................87

Оглавление

       5.3. Схемы работы котельного агрегата и турбины.90
       5.4. Паротурбинные установки (ПТУ) ............93
       5.5. Газотурбинные установки (ГТУ) ............95
       5.6. Бинарные установки........................97
Глава 6. Я ДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА.........................101
       6.1. Цепная реакция деления...................101
       6.2. Ядерные реакторы на тепловых нейтронах...104
       6.3. Ядерные реакторы на быстрых нейтронах....106
       6.4. Проблема радиоактивных отходов...........108
       6.5. Термоядерный синтез......................113
       6.6. Современное состояние ядерной энергетики.114
Глава 7. ЭНЕРГЕТИКА ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ...........................................117
       7.1. Гйдроэнергетика..........................117
       7.2. Ветровая энергетика......................124
       7.3. Тепловая солнечная энергетика............128
       7.4. Солнечные элементы.......................131
       7.5. Гёотермальная энергетика.................136
       7.6. Биоэнергетика............................139
Глава 8. ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА.......................144
       8.1. Свойства и применение водорода...........144
       8.2. Получение водорода.......................145
       8.3. Водородные топливные элементы............146
Глава 9. МЕТАНОЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИКА......................150
       9.1. Свойства и применение метанола...........150
       9.2. Получение синтез-газа и метанола.........152
       9.3. Метанольный топливный элемент............154
Глава 10. ХРАНЕНИЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ...........157
      10.1. Хранение углеводородов...................157
      10.2. Нефте- и газопроводы ....................164
      10.3. Аккумулирование электрической энергии....167
      10.4. Распределительные электрические сети.....169
      10.5. Распределение тепла и горячего водоснабжения..................................171
Литература...........................................174

Введение

В настоящее время вопросы энергетической безопасности человеческой цивилизации являются наиболее актуальными и обсуждаемыми. Дело в том, что энергетические ресурсы распределены по территории земного шара неравномерно: одни страны обеспечены ресурсами с избытком, другие должны их импортировать, что зачастую приводит к экономической и политической нестабильности. Наши далекие предки, овладев огнем, сжигали древесину. Промышленная революция сделала основным источником энергии уголь, позже энергоресурсами стали нефть и природный газ, затем человечество освоило атомную энергию.
   В начале XXI в. потребление энергии во всем мире превысило 5 ■ 10¹⁷ кДж/год или около 12 млрд т нефтяного эквивалента. Интенсивность мирового потребления энергии огромна и соответствует непрерывному потреблению мощности 13 млрд кВт, что эквивалентно одновременной и непрерывной работе 2000 Саяно-Шушенских ГЭС. Стремление человечества наращивать энергопотребление входит в противоречие с наличием первичных источников энергии, затратами на их добычу и необратимым вредным воздействием на окружающую среду. Удовлетворить растущие энергетические потребности современного общества и в то же время сохранить окружающую среду является одной из важнейших задач сегодняшнего дня.
   Проблемы, связанные с истощением ископаемого топлива, загрязнением окружающей среды и изменением климата под влиянием техногенной деятельности человека, давно стали предметом острых дискуссий во всех слоях общества. Политики, представители деловых кругов, экологи и экономисты не скупятся на прогнозы — диапазон предсказаний колеблется от апокалипсических до оптимистических. При этом большинство участников дискуссии черпает знания из средств массовой информации, а не из научных публикаций.
   Существуют источники энергии солнечного происхождения — это потенциальная химическая энергия, запасенная углем, нефтью, природным газом, торфом, растительностью и кинетическая энергия потоков воды и воздуха или разность температур в средах. Существу

Введение

ют также источники энергии несолнечного происхождения — это энергия приливов, геотермальная энергия, энергия деления ядер и энергия ядерного синтеза. Возобновляемая энергетика — это наиболее эффективный способ решения проблем энергоснабжения удаленных населенных пунктов. Если говорить о России, то речь может идти о жизнеобеспечении 10—15 млн человек. Практически во всех странах развитие возобновляемой энергетики является приоритетной государственной задачей.
   Задача энергетической отрасли состоит в том, чтобы с помощью тех или иных технических устройств преобразовать энергию той или иной неравновесной системы в необходимые формы энергии. Важнейшей составляющей современной энергетики стала электрическая энергия, которую пока не удается хранить в больших количествах. Поэтому в каждый момент времени производство электрической энергии должно равняться ее потреблению. Сегодня в России ежегодно вырабатывается около 1050 млрд кВт ■ ч электроэнергии.
   В книге рассматриваются возможности и физические основы использования всех видов горючих полезных ископаемых, а также корреляция объема их использования с климатическими изменениями. Рассматриваются перспективы перехода на возобновляемые виды энергии — энергию ветра, солнца, геотермальных вод, приливов и биомассы. Основное препятствие более широкому внедрению возобновляемых видов энергии — это их высокая стоимость и недостаточная отработанность технологий. Дается описание способов производства и использования метанола и водорода, которые не являются самостоятельными источниками энергии, но являются удобными теплоносителями.

Глава 1




                ЭНЕРГИЯ И ЭНЕРГЕТИКА




            1.1. Определение энергии и энергетики


Энергия— это одно из основных понятий современного естествознания, которое определяет собой меру различных форм движения материи. Энергия в переводе с греческого означает «деятельность». Как в быту, так и на производстве энергия занимает центральное место. Современному человеку для нормальной жизни нужна горячая вода и свет в квартире, автомобиль, телевидение и средства связи. Все эти блага связаны с производством и потреблением различных видов энергии, а также с неизбежным негативным воздействием на окружающую среду.
   Энергетика — это отрасль народного хозяйства, преобразующая и использующая различные виды энергии в интересах человека. Энергия и энергетика представляют собой базис современной и будущей цивилизации, оказывают влияние на темпы социально-экономического развития мира и международные отношения, в связи с чем они постоянно находятся в центре внимания специалистов и общественности.
   Энергия вырабатывается на удаленных установках и передается к месту потребления по коммуникациям и сетям. На тепловых станциях процессы выработки электроэнергии обладают рядом общих черт. Работа тепловых электрических станций происходит в соответствии с первым и вторым началами термодинамики. Энергия, выделяющаяся при сжигании топлива, идет на разогрев «рабочей жидкости», которая приводит в движение присоединенную к электрогенератору турбину.
   В международной системе измерений (СИ) основной единицей силы является ньютон: 1 Н = 1 (кг ■ м)/с². В системе СИ энергия и совершаемая ею работа измеряются в джоулях: 1 Дж = 1 Н ■ м, а развиваемая мощность — в ваттах: 1 Вт = 1 Дж/с. Это очень малые единицы энергии и мощности. Например, для нагрева 200 г воды от 20 до 100 °C требуется 67 200 Дж тепловой энергии. При мощности нагревателя 1 Вт для такого нагрева воды потребуется 18 ч.

Глава 1. Энергия и энергетика

   На практике пользуются кратными величинами единиц энергии и мощности: 1 кДж, 1 МДж, 1 кВт, 1 МВт, 1 ГВт, 1 ТВт. Одни и те же величины мощности могут выражаться с применением различных кратных приставок: 1 ГВт = 1000 МВт = 1 млн кВт. Иногда для измерения мощности пользуются внесистемной единицей «лошадиная сила»: 1 л. с. = 736 Вт. В ядерной физике используют единицу энергии электрон-вольт: 1 МэВ = 1,6 ■ 10“¹³ Дж. Внесистемной единицей измерения энергии является калория: 1 кал = 4,17 Дж; 1 Дж = 0,24 кал. На практике часто вместо джоулей используется единица измерения энергии и работы киловатт-час: 1 кВт ■ ч = 3600 кДж = 860 ккал (табл. 1.1).


Таблица 1.1. Соотношения между единицами измерения энергии

              Дж        кал      кВт-ч      т у. т.   
1 Дж          1        0,239   2,78- 10'7 3,42 ■ Ю'11 
1 кал        4,18        1     1,6- 10"6  1,42 ■ 10"10
1 кВт ■ ч 3,6 ■ 106  8,6 ■ 105     1      1,23 ■ 10 : 
1 т у. т. 2,93 ■ Ю10   7-109   8,12 ■ 103      1      

   Энергию, содержащуюся в 1 т любого топлива, можно выразить в джоулях или калориях. Для этого пользуются понятием гипотетического «условного топлива», теплотворная способность которого равна 7000 ккал/кг. Количество энергии, содержащееся в 1 тусловного топ-лива(1 ту.т.), составляет 29.3 ГД;к/т или 8120 кВт ■ч/т (табл. 1.2).


Таблица 1.2. Теплотворная способность некоторых видов топлива

   Топливо       МДж/кг         т у. т.      
     Торф          8,1            0,28       
    Дрова         10,2            0,35       
 Бурый уголь      15,7            0,54       
Каменный уголь     22             0,75       
Природный газ  35,6 МДж/м3 1,21 ту. т./ЮОО м3
    Мазут         39,2            1,33       
    Бензин         44             1,50       

1.1. Определение энергии и энергетики

9

   Иногда в качестве меры энергии и работы используют внесистемную единицу «1тнефтяного эквивалента»: 1 тн. э. = 44,76 ГДж = 10⁷ккал. Поскольку тонна условного топлива и тонна нефтяного эквивалента являются мерой энергии, а не массы, то в этих единицах можно, например, выражать выработку электроэнергии гидроэлектростанцией (ГЭС), где никакого топлива не используется.
   К ископаемому топливу относятся уголь и горючие сланцы, нефть, природный газ и битуминозные пески. В настоящее время во всем мире ежедневно потребляется более 80 млн баррелей (1 баррель равен 159 л) нефти. Многие используемые человеком природные источники энергии представляют собой прямую или преобразованную энергию солнечного излучения. Это либо химическая энергия, запасенная углем, нефтью, природным газом, торфом, растущей сегодня растительностью, либо кинетическая энергия потоков воды и воздуха, разность температур в толще воды океанов и др. (см. табл. 1.2).
   Человечество производит в год около 1,4- 10¹⁴кВт-ч(1,2- 10¹⁷ккал, 5 - 10¹⁷кДж, 12 млрд тн. э.) энергии. Мировой топливно-энергетический баланс в 2010 г. приводится в табл. 1.3. При численности населения планеты 7 млрд в среднем на человека приходится 2 -10⁶ кВт - ч (17 млн ккал) энергии в год. Эта энергия распределяется между жителями планеты неравномерно. Например, в городе потребление энергии на человека в год достигает 80 млн ккал. Каждому человеку для физиологического функционирования организма требуется в год всего около 1 млн ккал энергии, получаемой через пищу. В мире на 1 долл, мирового ВВП вырабатывается примерно 0,45 кВт -ч электроэнергии. Это значит, что один доллар можно конвертировать в единицу энергии.


Таблица 1.3. Мировой топливно-энергетический баланс в 2010 г.

       Источник        Нефтяной эквивалент, млн т %   
        Нефть                     3882            32,7
    Природный газ                 2653            22,3
        Уголь                     3278            27,6
   Атомная энергия                626             5,3 
       Биомасса                   650             5,5 
Гидравлическая энергия            572             4,8 
Возобновляемая энергия            210             1,8 

Глава 1. Энергия и энергетика

   Энерговооруженность той или иной страны выражается в годовом потреблении энергии на душу населения, и этот показатель коррелирует с уровнем развития страны (табл. 1.4). Для разных стран этот критерий различается в 20 раз. Энергетические ресурсы распределены по территории земного шара неравномерно, поэтому одни страны обеспечены ими «с избытком», другие должны их импортировать, что зачастую приводит к экономической и политической нестабильности. Это заставляет прибегать к перевозкам топлива и передаче энергии на большие расстояния.

Таблица 1.4. Доля электроэнергии, произведенной в развитых странах в 2001 г. за счет различных источников

              ТЭС       ГЭС  АЭС  ГеоТЭС,     Всего     
Страна   (традиционные)           СЭС,вэс нетрадиционные
Франция       8,4       14,1 76,8   0,7        91,6     
 Канада       28,1      57,8 12,8 1,3          71,9     
 Япония       58,9      8,5  31,0 1,6          41,1     
Германия      62,5      3,7  29,7   4,1        37,5     
  США         71,6      5,6  20,6   2,2        28,4     
Велико-       73,6      1,1  23,7 1,6          26,4     
британия                                                
Италия        78,7      18,0 0,0    3,4        21,3     

   Суточный график потребления энергии предприятиями и населением очень неравномерный: в будни больше, чем в выходные дни, ночью потребление энергии минимальное, в середине рабочего дня максимальное, зимой больше, чем летом (рис. 1.1). Для того чтобы полностью удовлетворять потребности в энергии, и в то же время не жечь топливо зря, необходимо регулировать производство электроэнергии во времени в соответствии с изменением потребностей. В таком режиме тепловые станции (ТЭС) работать не могут, а гидравлические станции (ГЭС) могут. Поэтому в больших электросетях ТЭС и атомные станции (АЭС) работают на постоянной мощности и покрывают основную часть нагрузки, а ГЭС работают в маневровом режиме, покрывая пиковую нагрузку.
   На современном этапе перед энергетикой стоят две задачи:
   •    совершенствовать производство энергии из первичных источников с учетом всей цепочки преобразования энергии, включая ее «экологическую стоимость»;

1.1. Определение энергии и энергетики

11

   •     совершенствовать потребление энергии, получая желаемый результат при ее минимальных затратах.


I Переменная часть нагрузки


  Базисная часть нагрузки

Рис. 1.1. Типичный суточный график использования установленных энергетических мощностей

   Сегодня человек включает свой разум, чтобы преодолеть глобальный экологический кризис — наверное, самый серьезный за всю историю. Фактически человек должен перейти к новой цивилизации — цивилизации возобновляемых источников энергии. Выход может быть только один: необходимо заняться поиском новых источников энергии, которые смогут заменить в топливно-энергетическом балансе тепловые станции, работающие на ископаемом органическом топливе. При этом следует принимать во внимание комплекс взаимоувязанных проблем: энергетических, экономических и экологических (табл. 1.5). Их нельзя решать поодиночке, думая только об удобстве эксплуатации энергетической установки, не заботясь об экологических последствиях ее создания и эксплуатации.
   Производство энергии на душу населения является важным, но не единственным фактором, определяющим уровень жизни людей. Уровень производства материальных благ зависит от энергоемкости и культуры производства, от производительности труда. Поднять эти показатели труднее, чем построить несколько новых электростанций.
   Тенденция опережающего роста производства электроэнергии проявляется во всем мире. В развитых странах ее доля приближается к 40 %. Чем больше производится электроэнергии, чем меньше требуется энергии вообще. Этот парадокс понятен: электроэнергией легко управлять, электрический прибор можно включить, когда он ну

Глава 1. Энергия и энергетика

жен, а огонь в топке паровоза приходится поддерживать даже тогда, когда поезд стоит, чтобы пар был наготове.


Таблица 1.5. Экономические и экологические показатели электростанций разных типов

                        Цельные                 Отчуждение
Тип электростанции     капитало- Себестоимость, земельных 
                       вложения, цент/(кВт • ч)  угодий,  
                       долл./кВт                  м2/кВт  
Геотермальные:                                            
природный пар (250°)      300         2,1           15    
геоциркуляционные                                         
(250°)                    950         6,8           20    
Топливные:                                                
уголь (20 долл./т)        600         2,9          16,2   
мазут (30 долл./барр.)    800         6,3          12,2   
сланцы, битумы           1450    5,8               16,2   
биомасса                 1100         9,5          2630   
Атомные:                                                  
на тепловых нейтронах    1250         3,4          8,1    
на быстрых нейтронах     1500         4,4          8,1    
Солнечные:                                                
на фотоэлементах         2000         11,5         80,1   
термодинамические        2650         9,3          80,1   
Ветровые                 1850      4,8---7,0       324    
Гидравлические:                                           
ГЭС                      2000         1,1          100    
приливные                2500          20           0     

            1.2. Эволюция использования энергии человеком


Антропогенная энергетика — это совокупность средств по преобразованию различных видов энергии в полезные для человеческого общества формы. На современном этапе развития цивилизации суммарная мощность мировых энергоустановок относительно невелика и составляет 1/5000 мощности поступающего на Землю потока солнечного излучения. Однако эта мощность достигает 30%