Главная >  Энергосбережение 

 

Виноградов Ю. Ю.Е. Виноградов

 

Взгляд через призму истории развития термодинамики или возможно ли создать монотемпературную машину (систему) цивилизации?

 

В тарифах на электрическую и тепловую энергию, за вычетом сверхприбылей монополий, основную долю затрат составляет оплата стоимости энергоносителей.
При катастрофическом снижении разведанных в стране запасов топлива, актуальной является повышение эффективности использования топлива топливосжигающей энергетикой.
В среднем, по РАО ЕЭС, только 27% энергии сгорания топлива преобразуется в электроэнергию, а из выработанной с такими большими затратами топлива электроэнергии, ещё 25% теряется при доставке энергии потребителям. При доставке тепловой энергии более половины не доходит до потребителя.
Таким образом, из того количества топлива, которое оплатил покупатель электроэнергии, более 75 процентов энергии топлива энергетиками выбрасывается, в полном смысле слова, на ветер.
Потери энергии при транспортировании могут быть сокращены, если отказаться от концепции централизованного энергоснабжения и теплоснабжения, увеличивать количество автономных источников энергии.
Насколько оправдана технология централизованного электроснабжения и теплоснабжения, особенно применительно к Российским просторам и, особенно, в сельской местности России - это особый предмет для обсуждения, а необходимой предпосылкой для обсуждения является перспектива создания эффективных автономных энергогенерирующих установок.
В данной статье обсуждается причина низкой эффективности централизованных энергогенерирующих устройств, возможность повышения эффективности действующих энергогенераторов и возможность создания эффективных автономных энергогенераторов, возможность системного подхода к использованию топливных ресурсов сводящего к минимуму бесполезное сжигание ископаемого топлива.
Преобразование тепловой энергии топлива в механическую работу обслуживает такая отрасль знаний, как термодинамика.
Следует обратиться к истории возникновения и становления этой области знаний.
Преобразование энергии огня в полезную механическую работу известно человечеству давно. К подобным преобразователям следует отнести все виды ракет (фейерверки), огнестрельное оружие, сегнерово колесо, которое Герон Александрийский приводил во вращение реактивной силой водяного пара.
Следующий значительных шаг в термодинамике - применение тепловых машин с внешним подводом теплоты для привода насосов, откачивающих воду из шахт.
Появившиеся тепловые машины имели низкий коэффициент преобразования тепловой энергии в механическую работу. Желание изменить коэффициент преобразования теплоты в лучшую сторону, привело к изучению законов взаимной зависимости параметров, характеризующих состояние вещества, таких как температура, удельный объём, давление.
Термодинамика определила своё поле интересов, как исследование результата изменения этих параметров.
Сади Карно, впервые в истории попытался обобщить накопленные знания о взаимных влияниях параметров состояния веществ, применительно к конструированию тепловых машин.
Именно его работа: Размышления о движущей силе огня и машинах, способных развивать эту силу считается отправной точкой отрасли знаний, которой присвоено название - термодинамика. В этой же работе С. Карно высказал мысли, которые позже были обоснованы другими и сформулированы, как закон сохранения энергии (первое начало термодинамики). Однако смерть С. Карно прервала эти исследования.
Через 20 лет после смерти Карно его работа попалась на глаза: В. Томпсону (лорду Кельвину), Р. Клаузиусу, М. Планку. Они и придумали формулу к.п.д. для тепловой машины и назвали формулу именем С. Карно.
В соответствии с формулой, КПД тепловой машины, работающей по циклу Карно, определяется как отношение разности температур нагревателя и холодильника, отнесённое к температуре нагревателя.
Кстати, формула Карно не отрицает возможность создания тепловой машины, использующей энергию окружающей среды при соблюдении определённых условий.
К моменту формулирования этих начал ещё не было определено понятие: энергия , не была определена единица энергии: «джоуль», не было доказано, что энергия одного вида должна преобразовываться в энергию другого вида без потерь, не был сформулирован закон сохранения энергии. (хотя Карно в своей работе и обозначил существование этих законов). С тех пор прошло много лет. И если закон сохранения энергии не подвергается сомнению, то второе начало термодинамики по-прежнему под прицелом критики.
В 2003 году проводилась международная конференция учёных различных областей знаний. Обнаружилось, что 75% из принявших участие в конференции не поддерживают ограничений, связанных с требованиями второго начала, более того было показано, что второе начало термодинамики не применимо для космических объектов (невозможность тепловой смерти Вселенной), микроскопических объектов (впервые об этом высказывался Больцман), а поскольку грани с обеих сторон размыты, то большинство учёных пока не пришли к одинаковому мнению где второе начало термодинамики следует применять.
Однако, основываясь на многолетнем опыте применения закона, наблюдений и выводов современных наук, можно предположить, что граница «сверху» проходит между космосом и землёй, а граница «снизу» проходит между квантовым миром и космосом.
Рассматривая мнения «за» и «против» следует помнить, второе начало сформулировано почти 200 лет назад для циклически действующей машины.
Именно второе начало термодинамики выводит преобразователь теплоты (тепловую машину) в механическую работу из общего класса преобразователей одного вида энергии в другой вид энергии, «окрашивая» тепловую энергию, например, энергию сгорания топлива, понятиями энтропии и эксергии, которые затрудняют ,но и одновременно и показывают возможности создания преобразователя одного вида энергии (тепловой) в другой вид энергии (механическую) у которого коэффициент преобразования бы был близким к ЕДИНИЦЕ.
Все науки, которым подвластны преобразователи других видов энергии, стремятся совершенствовать преобразователи, приблизив коэффициент преобразования (в обе стороны) к единице. В последнее время в энергетике также наметилась тенденция применения сложных парогазовых циклов в которых уровень к.п.д. превысил 50% и стремится к 70%. Основная идея этих сложных циклов: использование сбрасываемой теплоты предыдущего цикла (газового) для выработки дополнительной энергии в последующем цикле (пароводяном), как это и доказывает второе начало.
Надо помнить, что такие преобразователи теплоты в другие виды энергии, как электрохимические генераторы, водородные, гравитационные генераторы, другие устройства, являются только частью тепловой машины (расширительной). Если доказать, что в пределах Земли органическое топливо возобновляется полностью (например технологии биотоплива), то термодинамики не станут беспокоиться о том, чтобы уменьшить удельный расход топлива и с удовольствием сожгут за короткое время то, что приросло на Земле в течении миллиардов лет, получив по пути мизерное количество электроэнергии, загрязняя окружающую среду.
Однако, если рассматривать эти процессы как часть гигантской тепловой машины, работающим в соответствии с вторым началом термодинамики. То есть для получения максимального результата необходимо использовать сбрасываемое тепло от этих преобразователей, при этом рассматривая термодинамические системы как можно в более широких границах: локальные энергосистемы, глобальные энергоэкосистемы. В качестве примера можно привести гидротурбину (к.п.д. до 80%). Но для её действия необходимо определённый перепад давлений (высот) и расход воды стекающей с верхнего бассейна в нижний. Но что поднимает воду в верхний бассейн? Вспомните о круговороте воды в природе. Вот и обозначился второй закон). Вряд ли специалисты по гидродинамике совершенствуя преобразователи потенциальной энергии воды (гравитационного поля Земли) верхнего резервуара гидроэлектростанции в электрическую энергию и наоборот, электрической энергии в потенциальную энергии воды, поднимаемой над уровнем воды нижнего резервуара гидроэлектростанции, с коэффициентом близким к единице, осознают действие этого закона. Он их не касается. И создали гидроаккумулирующие станции, снимающие пиковые нагрузки потребления электроэнергии в регионе - а это уже замкнутый цикл, который может стать гигантской тепловой машиной (при соответствующих условиях).
Аналогичные рассуждения и выводы можно сделать и для других отраслей техники
Но может быть это обозначился закон сохранения энергии, поскольку затраченная на подъём воды энергия, полностью превратилась в электороэнергию (КПД гидротурбин = 0.9 .
Однако давайте вдумаемся. Воду нагрели и испарили из водоёма. Затратили энергию. При подъёме пара, теплота теплоёмкости пара обменивается на высоту подъёма облаков и повышенную теплоту парообразования при конденсации с пониженным давлением (в горах).
При конденсации пара вся энергия, затраченная на испарение воды из водоёмов возвращается в атмосферу (за исключением энергии, затраченной на подъём воды в гору). Гидроэнергетики преобразуют энергию поднятой воды с коэффициентом 1.
Количество теплоты, поступающей от солнца равно количеству излучаемой Землёй в космос (ибо температура земли сохраняется), при этом, работа по поднятию и опусканию воды равна нулю, теплота на испарение и конденсацию и снова для нагрева воды перед испарением равна нулю, но при этом вырабатывается электроэнергия, которая, как правило, в конце концов, превращается в теплоту и остаётся на земле.
Если природа создала такой цикл, то почему его нельзя повторить термодинамисту? Можно, но придётся задуматься, а задуматься не чем!
Распространение формулы Карно до этих границ (и далее) позволяет реально подойти к решению проблемы создания монотемпературной тепловой машины (гигантской), так сказать энергомашины Цивилизации, которая будет эффективно использовать сбрасываемую и накопленную энергию и возобновить её.
Формула Карно не запрещает, более того, требует добиться превращения энергии тепла в механическую работу, с расчётным по формуле коэффициентом близким к Дело за инженерами, изобретателями, бизнесом.
Физики разработали и внедрили технологию электрохимических генераторов, теоретически оценили эффективность такого способа преобразования энергии сгорания топлива в механическую работу (97%) и создали реальные силовые установки для космических кораблей и подводных лодок с эффективностью 85%. А кто запретил термодинамистам преобразовывать теплоту «влёт», за один проход, чтобы не требовалось возни с возвратом теплоты и приведением агрегатов в исходное состояние? Почему химики и физики нашли это решение, а термодинамисты не ищут? А оно есть, между прочим!
Создаётся тепловая машина, использующая в качестве источника тепла поток солнечной энергии, а в качестве источника холода – Космос (для космических объёктов).
А Земля – всегда была такой тепловой машиной, дающей энергию всему на нашей планете. Это и понятно когда речь идёт о том, что везде, где нет абсолютного нуля температуры, есть тепловая энергия, которую можно утилизировать!
Пришло время и энергетикам активно внедрять тепловые циклы, использующие сбрасываемую теплоту, (прежде всего бинарные парогазовые циклы, которые позволяют получать к.п.д. до 70-90 (при использовании три- и квадроциклов)), приблизиться к к.п.д. 100%, создать технологии возобновления топливных ресурсов Земли (например биотезнологии).
При этом ещё одно замечание Сади Карно о том, что в угоду простоте и надёжности тепловых машин не следует гнаться за повышением их экономичности (очень мудро). Очевидно, это замечание может относиться прежде всего к транспортным теплосиловым установкам. Однако поддерживающая их топливная (топливо вообще не требуется, зачем говорить о эффективности ТЭК?) инфраструктура должна иметь высокий к.п.д. по всем правилам вытекающим из второго закона (т.е. необходимы энергоэкологичские подходы, ред). Пока, к сожалению, нет общепризнанного понятия: КПД инфраструктуры. Сегодня остановиться на эффективности использования теплоты сгорающего топлива на уровне 27% не позволяет сама жизнь. Энергетические кризисы всё чаще. Поэтому поиски эффективных термодинамических процессов, бестопливных машин не могут оставаться не этичным занятием в науке. Обществу предоставлена возможность платить за электроэнергию в 4 раза дороже, чем можно и сжечь всё ископаемое топливо или платить за поиски путей уменьшения обязательного расходования топлива, углеводородного сырья, незаменимого для химической промышленности, технологии восстановления топливных ресурсов. Во внедрении бестопливных технологий сегодня, как никогда раньше, востребованным является поиск этих новых решений развития энергетики – экоэнергетики.
Необходимы новые термодинамические циклы. В этой связи С.Карно в деле поиска оптимальных рабочих тел. Сади Карно обращал внимание на то, что водяной пар далёк от идеального рабочего тела.
В России же да и в Мире большая энергетика построена на базе рабочего тела в виде пара воды. Примером упущения в области поиска новых рабочих тел тепловых машин является пример геотермальных электростанций, где турбины работают на паре получаемом из геотермальной воды используюя только верхнюю ступень преобразования теплоты, что составляет только треть полученной из Земли теплоты. Остальные две трети мощности геотермальной электростанции как правило не используются в рабочем цикле геотермальной ТЭС. Привлечение в качестве рабочего тела низкокипящего теплоносителя, например бутана, пропана, аммиака и пр. позволяет увеличить полезную электрическую мощность геотермальной станции, при том же расходе геотермального рабочего тела.
С точки зрения стороннего наблюдателя, признавая, что в Российской энергетике главенствует всего один термодинамический цикл - цикл Ренкина, следовало бы ожидать, что термодинамика разработает технические требования на параметры рабочего тела для этого цикла и более сложные циклы (бинарные и пр.). Найденные параметры должны были бы обеспечить наибольший коэффициент преобразования теплоты в механическую работу в этих циклах при заданных температурах и давлениях рабочего тела. Сообщения о пуске и работе тепловых машин со сложными тепловыми циклами, в том числе с использованием низкокипящих рабочих тел и тепловых насосов уже появились (Сочинская ПГУ, Калининградская ПГУ, бутановая установка в г. Сумы, ТЭЦ-28 «Мосэнерго», объекты с тепловыми насосами ЗАО «Энергия» и пр.)
Следовало бы ожидать, что разработанные термодинамиками требования на параметры рабочих тел попадут к химикам или физикам, а они синтезируют вещество с необходимыми физико - термическими параметрами.
Наука, которая занимается тепловыми насосами, холодильниками заказывает себе специальные рабочие тела, которые называются: «хладагенты», появляются вещества с экзотическими параметрами.
Например, вещества с изменяемой теплоемкостью, зависящей от внешнего магнитного поля, обнаружены вещества, которые плавятся при понижении температуры и затвердевают при нагревании, обнаружены области сочетания параметров состояния газов, в которых газ охлаждается при сжатии. Кто сказал, что не могут быть обнаружены или модифицированы вещества под заданные параметры? Например, вещества, теплота парообразования которых (в некотором диапазоне температур и давлений), падает с уменьшением давления (температуры) испарения, были бы очень полезны в качестве рабочих тел тепловых машин?! С помощью этих рабочих тел можно эффективно использовать сбрасываемую теплоту (в окружающую среду), да и саму энергию окружающей среды).
А ведь Сади Карно был очень не доволен физико-термическими параметрами воды и водяного пара в качестве рабочего тела тепловой машины. Сади Карно призывал искать более удобное рабочее тело для тепловой машины. Дело за нашей наукой.
Так почему мы платим за энергию больше, чем она должна стоить?
Почему РАН, ФИПС, Регионы, энерго-топливные компании ничего не делают, чтобы реально снизить расходы ископаемого топлива?
Почему за рубежом уже существуют технологии, позволяющие увеличить вдвое выработку электроэнергию топливосжигающими электростанциями без увеличения расхода топлива, а в России этот процесс только начал вяло развиваться?
Да потому, что это выгодно вышеназванным субъектам. Да потому что мы не требуем от энергетиков, власти более эффективного использования топлива, применения бестопливных технологий, соглашаясь на затребованные монополистами тарифы. Преодолеть это должны новые законы!!! Жестокие штрафы За перерасход топлива выработки 1кВт.час электроэнергии или 1 Гкал теплоты. И всё это возможно. Хватит энергокомпаниям прятаться за второй закон термодинамики, ссылаясь на экспертов РАН и ФИПС.
Сегодня РАН, ФИПС, Региональная и Федеральная власть должны понять, что прежде всего они отвечают перед историей и народом за далеко не благополучное современное состояние дел в энергетике, экологии, расходовании топливных природных ресурсов. Сегодня понятно, что любой Регион, даже не имеющий ископаемых ресурсов может в значительной степени обеспечить себя энергией на основе «бестопливных» технологий.
Сегодня прежде всего РАН и ФИПС, должны инициировать активизацию процессов, по созданию новой «бестопливной», высокоэффективной энергетики через образовательную и законотворческую деятельность, усилить влияние на тех кто принимает решения: на политиков, законодателей. Техническая экспертиза энергетических проектов и региональных программ развития должна учитывать эти процессы.
Сегодня представляется важным восстановить структуру, аналогичную Госэнергонадзору, но возможно, подчинённую непосредственно Законодательной Власти, Счётной Палате. Иначе, мы очень скоро останемся без ресурсов.
Сегодня бездействие – контрпродуктивно! И термодинамика тому не препятствует.
Условия для активации этих процессов уже созрели. Берите пример с Европы, Белоруссии. Созданные там законы заставляют строить новую бестопливную энергетику.

 

Большая часть тарифа за электроэнергию - оплата обогрева окружающей среды.

 

Статья 42
Каждый имеет право на благоприятную окружающую среду, достоверную информацию о ее состоянии и на возмещение ущерба, причиненного его здоровью или имуществу экологическим правонарушением.
Комментарий.
Существует возможность сократить выброс вредных веществ в атмосферу, не менее, чем в 10 раз. Если государство не принимает предложение сократить выбросы в 10 раз, значит, оно специально создаёт предпосылки для создания неблагоприятной среды обитания!
Уровень и качество жизни зависит от неплодотворных затрат сил. Текущее состояние дел обеспечивает среднюю продолжительность жизни меньше пенсионного возраста по старости.

 

P.S. Вместо заключения хотелось бы напомнить Статьи Конституции РФ:

 

Статья 46
Каждому гарантируется судебная защита его прав и свобод.
Решения и действия (или бездействие) органов государственной власти, органов местного самоуправления, общественных объединений и должностных лиц могут быть обжалованы в суд.
Каждый вправе в соответствии с международными договорами Российской Федерации обращаться в межгосударственные органы по защите прав и свобод человека, если исчерпаны все имеющиеся внутригосударственные средства правовой защиты.

 

Статья 45
Государственная защита прав и свобод человека и гражданина в Российской Федерации гарантируется.
Каждый вправе защищать свои права и свободы всеми способами, не запрещенными законом.

 

Статья 58
Каждый обязан сохранять природу и окружающую среду, бережно относиться к природным богатствам.
Комментарий.
Зачем так писали? Авторы предлагают не транжирить природные богатства, в частности углеводородное сырьё, и Президент РФ обязан бережно относится к природным богатствам, которые должны принадлежать только народу!
И потому (автор убежден): Внедрение топливосберегающих технологий, особенно в России (где холодно и долго холодно!) может, а следовательно должно осуществляться по государственным программам контролируемыми Президентом, как это делается например в Беларуси.

 

Статья 53
Каждый имеет право на возмещение государством вреда, причиненного незаконными действиями (или бездействием) органов государственной власти или их должностных лиц.

 

 

ТЕХНІКО-ЕКОНОМІЧНЕ ОБГРУНТУВАННЯ. Материалы совещания энергоаудиторов повопросам проведения энергетическихобследований организаций холдинга РАО. Остаточний варіант переліку ризиків. Водопотребление и водосбережение в жилищном фонде. Переработка биотходов.

 

Главная >  Энергосбережение 

0.0226