Лауреат премии «Глобальная энергия» знатный директор Института больших температур РАН академик А. Е. Шейндлин прочел эту лекцию на церемонии вручения премии.

Российская энергетика — прошедшее и будущее

До ближайшего времени российская электроэнергетика была одной из наилучших в мире. Основанием для такового заключения служит сделанная на базе достижений науки полностью современная технологическая база, позволявшая российскому энергетическому машиностро ению стопроцентно обеспечить потребности электроэнергетики. Не считая того, принципиальной ее положительной стороной стало создание уникальной Единой энергетической системы — ЕЭС Рф (см. «Наука и жизнь» №№ 9, 10, 2002 г. — Прим. ред.).

Начало ее сотворения относится ко 2-ой половине 50-х годов прошедшего века, когда были пущены уникальные для тех пор гидроэлектростанции — Куйбышевская, а потом Сталинградская (сейчас Волжская ГЭС им. В. И. Ленина и Волжская ГЭС в городке Волжском соответственно). Тогда же были построены протяженные полосы электропередачи напряжением 500 кВ, соединившие Московскую, Куйбышевскую (Самарскую) энергосистемы и энергосистемы Урала.

ЕЭС Рф — одна из самых надежных энергосистем в мире. За все годы ее существования не было больших аварий, схожих тем, которые систематически происходят в США, Англии, Италии и других странах. Высочайшая живучесть ЕЭС Рф, то есть способность противостоять развитию нарушений, возникающих в отдельных ее частях, стала следствием высочайшей степени ее организации и эффективности противоаварийной автоматики. Благодаря параллель ной работе электрических станций, расположенных в различных часовых поясах, потребность в их мощности снижена на 8 млн кВт. Протяженность электронных сетей всех напряжений в ЕЭС Рф составляет выше 2,5 млн км, в том числе напряжением 220-1150 кВт — более 150 тыс. км.

Потребность Рф в электроэнергии удовлетворяют электростанции, суммарной мощностью превосходящие 215 млн кВт. Выше 20% составляют ГЭС, более 10% — АЭС и практически 70% — термические электростанции (ТЭС), работающие в главном на природном газе (63%) и жестком горючем (28%). В структуре российскей энергетики существенное место занимают ТЭС на сверхкритические характеристики пара с энергоблоками мощностью 250, 300, 500, 800 и 1200 мВт.

Нужное количество энергии определяется потребностью экономики, включая и социальную ее составляющую. В настоящее время эти потребности по секторам экономики распределяются приблизительно последующим образом:

индустрия — 33%;

коммунальный сектор — 37%;

транспорт — 19%;

сельское хозяйство — 3%;

нетопливные нужды — 8%.

Задачка заключается в том, чтоб, используя наименьшее количество энергии, получать более высочайший итог. Есть несколько путей ее решения: увеличение эффективности использования первичных источников энергии, другими словами повышение КПД преобразования энергии; понижение прямых утрат на всех шагах; переход на наименее энергоемкие технологии; внедрение более действенного оборудования при потреблении энергии.

Следует, но, увидеть, что в текущее время положение дел в энергетике поменялось, и в главном не в наилучшую сторону.

Разглядим ряд заморочек, стоящих перед энергетикой.

Улучшение главных технологий производства электроэнергии

Бурное развитие электроэнергетики в целом и теплоэнергетики а именно в 50-60-е и следующие годы прошедшего века вывело российскую энергетику на передовые позиции в мире. Но в последние годы обострился процесс физического и морального старения электрических станций и сетей, которые сооружались по проектам полувековой давности и уже не соответствуют современным требованиям к энергоустановкам в области экологии, эффективности использования горючего, надежности и безопасности. Потому из всего диапазона заморочек, накопившихся в электроэнергетике, на 1-ый план вышли задачки ее технического перевооружения. Единственный метод заслуги этой цели — перейти на новый технологический уровень, обеспечивающий значительно более высочайшие характеристики эффективности, наилучшую защиту среды и огромную надежность.

Наилучшие российские паросиловые ТЭС, работающие на газе, имеют КПД, не превосходящий 39%. КПД современных парогазовых установках добивается 55-60%. Их базу составляют газовые турбины большой мощности с КПД, приближающимся к 40%, и температурой газа на входе до 1500°С. На выходе газ охлаждается до температуры 600°С, достаточной для получения водяного пара высочайшего давления, поступающего в паровую турбину. Каждогодний ввод парогазовых установок в мире в последнее десятилетие составил около 85 млн кВт, а в текущем десятилетии составит 107 млн кВт, практически половину всех вводимых мощностей. В Рф из установок подобного класса введен в эксплуатацию только один энергоблок на Северо- западной ТЭЦ Ленэнерго. Этого очевидно недостаточно.

Применительно к угольной теплоэнергетике продвижение вперед значит также улучшение и развитие термодинамических циклов на базе увеличения давления и температуры пара. В теплоэнергетике Рф поочередно использовались низкие, высочайшие и сверхкрити ческие характеристики пара прямо до 240 атм и 545°С, которые были освоены в 60-х годах. Российская теплоэнергетика находилась тогда на мировом уровне в области новых разработок. В текущее время у нас промышленного оборудования такового типа нет. То же можно сказать и о других разработках, о применении угля, газа, приобретенного при его переработке, об использовании низкосортных видов горючего и т. д. Это отставание консервирует устаревшие технологии и в наиблежайшие годы может болезненно отразиться на экономике страны.

Исследования параметров веществ и процессов

Исследование параметров веществ, которые могут быть отлично применены в энергетике, — принципиальная задачка базовой науки. Возьмем, к примеру, углерод. Казалось бы, мы знаем о нем все. Но это далековато не так. Нет полной ясности о нраве плавления углерода, и даже величина температуры его плавления не уточнена. Если графит и алмаз отлично исследованы, то не так давно синтезированные структуры углерода, фуллерены и карбин, изучены недостаточно. А ведь соответственной обработкой углерода получают к тому же так именуемые нанотрубки (см. «Наука и жизнь» № 11, 1993 г. — Прим. ред.). Их можно использовать, к примеру, для действенной сорбции водорода, решив делему его хранения для следующего использования в топливных элементах.

Другой пример относится к очень многообещающему ядерному горючему на базе нитрида урана (сейчас в ядерной энергетике обширно употребляется горючее на базе диоксида урана). Нитрид урана и другие нитридные соединения владеют большей теплопроводимостью, и уже только это очень положительно влияет на работу тепловыделяющих частей (твэлов) и всю активную зону реактора. Но если диоксид урана отлично исследован, то этого нельзя сказать о его нитриде, который еще предстоит всесторонне изучить, в том числе и с облучением в жарких камерах.

Более действенными теплоносителями для многообещающих энергетических установок, и сначала бридеров — реакторов на стремительных нейтронах , — служат водянистые металлы. Их уникально высочайшая теплопроводимость определяет лучшие свойства как теплоносителя, а низкое давление насыщенного пара упрощает конструкцию оборудования и его эксплуатацию. Более перспективны щелочные металлы (литий, натрий, калий, рубидий, цезий), имеющие низкую температуру плавления и плотность, также их двойные и тройные сплавы. Варьирование их компонентного состава позволяет, во-1-х, регулировать характеристики сплавов зависимо от эксплуатационных требований, а во-2-х, очень расширить рабочий температурный спектр водянистой фазы как в сторону больших, так и в сторону максимально низких температур.

Энтузиазм представляет и применение многокомпонентных систем в качестве термических аккумов: при переходе воды в твердую фазу выделяется огромное количество тепла.

Из Li, Na, K, Mg/F, Cl, Br, SО4 удается сделать 3- и 4-компонентные эвтектические системы, которые плавятся в интервале температур 500-600°С, более увлекательном для использования в солнечных электрических станциях. Они все имеют высшую теплоту плавления/затвердевания — на уровне 500 кДж/кг.

Произнесенное тут только иллюстрирует подход к проведению очень нужных для энергетической науки базовых и прикладных исследовательских работ, без которых нельзя гласить о нужном совершенствовании энергетики.

Препядствия действенного использования органического горючего

Природный газ

Говоря об использовании природного газа, позволю для себя высказать крамольную идея: в нашей стране нужно закончить ориентироваться на внедрение природного газа как основного горючего в электроэнергетике. Речь должна идти не только лишь о повышении эффективности его использования. Необходимо создать и выполнить муниципальную программку перехода, сначала, на уголь и другие сравнимо малоценные источники энергии — отходы от газонефтепереработки, сланцы, бытовые отходы, горючее из выработанных и малодебитных месторождений, попутные газы нефтедобычи и другие виды горючего.

Чрезмерная привлекательность природного газа для потребителей при убыточности
поставок на внутренний рынок по действующим ценам делает растущую напряженность
его баланса. А так как газ обеспечивает практически половину внутреннего употребления
энергоресурсов (в европейской части — выше 2-ух третей), его недостаток значит
прямую опасность энергетической безопасности страны.

В 2000 году на ТЭС холдинга РАО «ЕЭС Рф» в целом по стране было применено 243,2 млн т условного горючего, в том числе толика газа составила 64%, угля — 30% и мазута — 5%. Но уже в 2001 году толика газа возросла до 66%, а угля снизилась до 28,4%. В европейской же части вкупе с Уралом толика природного газа в топливном балансе ТЭС превосходит 80%. Такое положение с позиций энергетической безопасности и эффективности использования природного газа не может считаться обычным и должно быть исправлено.

Совместно с тем очень действенным возможно окажется более обширное применение природного газа, к примеру, его пропан-бутановых фракций в авто движках. Очень принципиально для нашей страны освоить технологии сжижения природного газа, что, а именно, позволит решить ряд кардинальных вопросов его транспортировки.

Нефть

Водянистые углеводороды, приобретенные при переработке нефти, — бензин и дизельное горючее — употребляются, сначала, транспортом. Толика мазута, используемого на теплоэлектростанциях, к 2020-2025 годам свалится до 3-4% в связи с повышением глубины переработки нефти. Технико-экономические обоснования объемов добычи и использования нефти, равно как природного газа, актуально важны. Наша страна, по неким данным, обеспечена разведанными припасами нефти только немногим более чем на 20 лет при нынешнем уровне добычи, газа — на 90 лет, тогда как угля и урана нам хватит на многие века. Потому кроме интенсификации разведки месторождений нефти и газа следует направить суровое внимание на освоение малодебитных месторождений и разработку технологий нефтедобычи на уже выработанных месторождениях.

Уголь

Уголь, припасы которого у нас в стране только значительны, как ранее говорилось, должен быть главным видом органического горючего для большой энергетики. Но не имеющий аналогов в мире перекос цен на взаимозаменяемые энергоэлементы — газ, уголь и мазут — ориентирует потребителей конкретно на природный газ.

Необходимо подчеркнуть, что в последние 10-20 лет фактически на сто процентов прекращены фундаментальные исследования и технологические разработки по действенному использованию угля, переработке его для получения синтетического водянистого и газообразного горючего, решения сопутствующих экологических заморочек.

Нам представляется нужным принять решительные меры для перевода термический электроэнергетики на уголь. Тут кардинальным фактором является верная вкладывательная политика, которая невозможна без конструктивного конфигурации политики ценовой. Идет речь не о ценах на нефть и нефтепродукты — они адекватны сложившимся правилам рынка и не о ценах на уголь — они выйдут на разумный уровень при развитии рыночных отношений. Политику цен необходимо поменять в естественных монополиях — газовой отрасли, дающей практически половину приходного топливно-энергетического баланса, в электроэнергетике и теплоснабжении, на которые приходится 60% его части.

Теплофикация

В Русском Союзе в особенности удачно в широких масштабах развивалась теплофикация. Этому были свои предпосылки. В конце 20-х — начале 30-х годов прошедшего века по инициативе ряда российских энергетиков началось общее строительство больших теплоэлектростанций с комбинированной выработкой электроэнергии и тепла. Научно-техническое обоснование такового решения тогда было полностью оправданным. КПД тогдашних электрических станций составлял порядка 25%, и большие объемы тепла необходимо было использовать. Теплофикация позволила очень отлично отапливать населенные пункты в районах размещения электрических станций.

Естественно, что для передачи тепла от электростанции к потребителю — зданиям и сооружениям — требовалась разветвленная система подвода жаркой воды. Теплофикационные трубопроводы, обычно, прокладывались под землей, нуждались в действенной термоизоляции, в резервировании, повторяющемся ремонте и подмене. Все это в критериях тогдашней политической системы, жесткого планирования и централизации было осуществлено с огромным размахом на местности всей страны и глобальных аналогов не имело.

По сей день более 72% всей термический энергии делается централизованными источниками мощностью более 20 Гкал/ч, в том числе практически 32% термический энергии вырабатывается на электрических станциях.

Казалось бы, масштабную теплофикацию следует развивать и дальше. Но ее состояние сейчас и степень совершенства электроэнергетики, по нашему воззрению, требуют другого подхода. Во всех системах централизованного теплоснабжения вырабатывается около 1,4 миллиардов Гкал в год, из их порядка 0,8 млрд Гкал в год — на теплоэлектростанциях. Протяженность трубопроводных систем составляет колоссальную величину — более 250 000 км. При всем этом, по неким оценкам, около 80% сетей требуют подмены либо полгого ремонта и более 15% их находятся в аварийном состоянии. На каждые 100 км термических сетей раз в год регится в среднем 70 повреждений. Утраты тепла в сетях добиваются 30%, а утечки жаркой воды — более кубического километра в год.

С другой стороны, КПД термических электрических станций с парогазовыми установками уже
превосходит 60%, что резко уменьшает выход тепла. Тем навязывается необходимость
пересмотреть установившиеся ранее взоры на широкую теплофикацию, обсудить
вопрос о прекращении строительства больших теплоэлектроцентралей и широком внедрении
малых электрических станций, работающих по комбинированному циклу. При всем этом закончится
общее строительство тяжело ремонтируемых и фактически незаменяемых (в больших
населенных пт) термических сетей, уменьшатся утраты тепла, а время от времени и электроэнергии.
Такового рода малые электростанции требуют, естественно, подвода горючего, желательно
природного газа, что еще проще прокладки и эксплуатации протяженных термических
сетей.

О ядерной энергетике

Сохранять и развивать ядерную энергетику непременно следует. Вопрос только в том, в каких масштабах и в каких направлениях. В текущее время ядерная энергетика в нашей стране дает всего только около 10% электроэнергии, служа все же принципиальной компонентой электроэнергетики.

Полагаю, но, что масштаб строительства новых больших ядерных электрических станций должен быть ограничен. Эти ограничения касаются, сначала, атомных электрических станций с реакторами на термических нейтронах. Необходимо сосредоточить внимание на дилемме сотворения действенных атомных реакторов на стремительных нейтронах и рассматривать это направление как более перспективное. В нашей стране имеются достойные внимания разработки в области их конструирования, результаты внедрения которых могут быть очень успешными.

Отдельной задачей должно быть выполнение программки закрытия атомных реакторов, исчерпавших ресурс работы, переработки и надежного захоронения радиоактивных отходов.

В конце концов, для ряда недоступных районов нашей широкой страны очень принципиальным могло бы быть строительство малых ядерных электрических станций, работающих иногда в автоматическом режиме, также плавучих атомных электрических станций (см. также «Наука и жизнь» № 5, 1993 г. — Прим. ред.).

О возобновляемых
источниках энергии

К возобновляемым источникам энергии (ВИЭ) относятся: солнечная энергия; энергия ветра; энергия биомассы, включая разные отходы; геотермальная энергия; энергия малых рек; энергия приливов; волновая энергия; энергия, определяемая разностью температур по глубине океана.

В производстве электроэнергии толика возобновляемых источников без больших ГЭС в целом по миру составляет около 1,6%. Но в ряде продвинутых стран она полностью осязаема: Дания — более 12%; Италия — 2,8%; Испания — 2,7%; Германия — 2,7%; Чили — 2,7%; Швеция — 2,5%; Англия — 2,4%; США — 2,2%.

Большинству возобновляемых источников присущ большой недочет — их энергия поступает непостоянно. Работающие на ней установки обязаны иметь или батареи, или установки-дублеры, работающие на классическом горючем, либо же электронная сеть обязана иметь достаточные емкость и маневренность, чтоб восполнить неритмичность работы. Приобретенная ими энергия, обычно, дороже классической, что значительно оказывает влияние на отношение к ним. Потому если в 70-80-е годы прошедшего века для продвинутых стран стимулом внедрения возобновляемых источников были нефтяные кризисы и опасение, что век дешевенького горючего завершился, то сейчас главным аргументом в их пользу стала экологическая чистота. Для Рф сейчас, невзирая на высшую цена энергии, внедрение этих источников возможно окажется экономически прибыльным на территориях, где употребляется драгоценное привозное горючее и нет централизованного энергоснабжения.

Ветровая энергетика

Внедрение энергии ветра — оживленно развивающаяся ветвь мировой энергетики (см. «Наука и жизнь» № 3, 2004 г. — Прим. ред.). Если суммарная мощность всех ветроэнергетических установок в мире в 2000 году составляла 17,8 ГВт, то в 2002 году она достигнула уже 31,1 ГВт, а мощность серийной установки — около мегаватта. При подходящих свойствах ветра цена «ветровой» электроэнергии приближается к цены электроэнергии «топливной». В Рф до недавнешнего времени развитию ветроэнергетики не уделялось подабающего внимания. Разрабатывавшиеся в конце прошедшего века установки не отвечали требованиям надежности и эффективности. Потому фактически все большие ветроэлектро -станции, действующие сейчас в Рф, укомплектованы ввезенными агрегатами.

Малая гидроэнергетика

К малым ГЭС условно относят станции мощностью от 100 кВт до 10 МВт. Наименьшие агрегаты относятся к категории микро-ГЭС. Суммарная мощность малых ГЭС в мире сейчас превосходит 70 ГВт.

Малая гидроэнергетика за последние десятилетия заняла устойчивое положение в почти всех странах мира. Фаворитная роль в ее развитии принадлежит КНР, где суммарная мощность малых ГЭС более 13 млн кВт. В США, Канаде, Швеции, Испании, Италии и во Франции она превосходит 1 млн кВт. Развивающиеся страны строят малые ГЭС в качестве автономных источников электроэнергии в сельской местности.

Энергетический потенциал малых рек нашей страны очень велик. В Рф выше 2,5 млн малых рек с общим стоком более 1000 км3 в год. Доступными сейчас средствами на малых ГЭС в Рф можно создавать около 500 миллиардов кВт.ч электроэнергии в год. В особенности презентабельно создание малых ГЭС на базе ранее существовавших, где сохранились гидротехнические сооружения, и на малых водохранилищах, которых в Рф более тыщи.

Солнечная энергия

Проще всего при помощи солнечной энергии получать тепло в плоском коллекторе для жаркого водоснабжения. Суммарная площадь коллекторов, установленных сейчас в мире, оценивается в 50-60 млн м2, что обеспечивает создание термический энергии, эквивалентное 5-7 млн тонн условного горючего в год (см. «Наука и жизнь» № 12, 2002 г. — Прим. ред.).

В Рф солнечные водонагреватели еще пока не отыскали значимого распространения. Это, с одной стороны, связано с относительно низкой ценой обычных топлив, а с другой — с бытующим воззрением о нехватке солнечного света в большинстве регионов Рф.

Преобразование солнечной энергии в электроэнергию можно вести как термодинамическими способами (получением пара высочайшего давления), так и прямым преобразованием при помощи фотоэлектрических панелей (ФЭП).

Сейчас в США работают семь электрических станций общей мощностью 354 МВт, использующие цилиндрические отражатели света и термодинамический способ преобразования. Известны проекты сооружения схожих установок в ряде государств так именуемого солнечного пояса (Мексика, Египет и др.). Для Рф подобные проекты сколько-либо значимого энтузиазма не представляют.

Фотоэлектрические преобразователи, напротив, находят все большее применение. Они употребляют не только лишь прямое, да и рассеянное излучение и не требуют дорогостоящих устройств слежения за Солнцем.

Суммарная мощность всех установленных в мире фотоэлектрических преобразователей превысила 500 МВт; в ряде государств приняты национальные программки по широкому их внедрению («100 тыщ солнечных крыш» в Германии и в Стране восходящего солнца, «1 млн солнечных крыш» в США). При неплохом освещении цена выработанной преобразователями электроэнергии не превосходит 15-20 центов за кв. Установки маленький мощности, в единицы кв, дают сейчас фактически единственную возможность приобщить сельское население развивающихся государств к современной цивилизации.

Невзирая на положительные тенденции мирового рынка, высочайшая цена электроэнергии фотопреобразователей сдерживает их более обширное применение. Она обоснована накладностью и основного материала (обычно, кремния высочайшей чистоты), и технологического процесса его получения. Потому в мире ведутся исследования и разработки, направленные на их удешевление. Одно из многообещающих направлений — создание высокоэффективных преобразователей с концентраторами солнечного излучения. Более активно исследования в этой области проводятся в США и Рф. КПД разработанных в США солнечных частей на базе монокристаллов кремния добивается 20-25% при концентрации в 10-100 солнц и рабочей температуре 25°С. Для работы при концентрации в 300-1000 солнц более перспективны элементы на базе системы арсенид галлия — арсенид алюминия, в первый раз разработанной в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе: их КПД около 30% при концентрации в 500-1000 солнц и рабочей температуре 60-80°С.

Энергия биомассы

По неким данным, вклад биомассы в мировой энергетический баланс составляет около 12%, хотя значимая ее толика, применяемая для энергетических нужд, не учитывается официальной статистикой.

Биомасса появляется в итоге фотосинтеза, за счет которого солнечная энергия аккумулируется в возрастающей массе растений. Энергетический КПД фотосинтеза составляет около 5%. Зависимо от вида растений и зоны их произрастания продуктивность в расчете на единицу площади, занятой растениями, различна. Для медлительно возрастающих северных лесов она составляет тонну прироста древесной породы в год на гектар. Для сопоставления: на этой же площади в штате Айова, США, сбор кукурузы (вся зеленоватая масса) в 1999 году составил около 50 тонн.

Для энергетических целей первичная биомасса употребляется в главном как горючее, при этом речь, обычно, идет об отходах полеводства (трава, сено), лесной и деревоперерабатывающей индустрии. Сжигание биомассы обычно просит или ее подготовительной подготовки, или особых топочных устройств.

В Рф внедрение отходов лесной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной индустрии для коммерческого производства электроэнергии и тепла пока некординально. По неким данным, в стране еще не так давно имелось 27 малых ТЭЦ общей мощностью 1,4 ГВт, использовавших их вместе с обычным топливом (мазут, уголь, газ). При всем этом фактически на биомассе выработано 2,2 миллиардов кВт.ч электроэнергии и 9,7 млн Гкал тепла.

Значимый энергетический потенциал содержится в отходах животноводства, жестких бытовых отходах и отходах разных отраслей индустрии. Употребляют их при помощи термохимических и биохимических способов. В первом случае идет речь в главном о жестких бытовых отходах, которые или сжигают, или газифицируют на мусороперерабатывающих фабриках. Во 2-м случае сырье — навоз либо водянистые бытовые стоки — перерабатывают в биогаз, состоящий из 70% метана и 30% диоксида углерода.

В Рф раз в год появляется около 60 млн тонн жестких бытовых отходов, около 130 млн тонн отходов животноводства и птицеводства и 10 млн тонн осадков сточных вод. Их энергетический потенциал — 190 млн условного горючего употребляется пока совсем недостаточно.

Геотермальная энергия

Из земных недр на поверхность безпрерывно поступает термический поток, интенсивность которого составляет в среднем около 0,03 Вт/м2. Под его воздействием появляется вертикальный градиент температуры — так именуемая геотермальная ступень. В большинстве мест она составляет менее 2-3 градусов на 100 метров. Но в местах юного вулканизма, поблизости разломов земной коры, иногда уже на глубине нескольких сотен метров залегают или сухие горные породы, нагретые до 100°С и выше, или припасы воды либо пароводяной консистенции таковой же температуры, применимые для сотворения геотермальной электростанции (ГеоЭС). Наименее жаркую воду целенаправлено использовать для теплоснабжения. Если температура воды очень мала для конкретного использования, ее можно повысить, применяя термические насосы. Если обыденным методом тепло перебегает от нагретого тела к более прохладному, выравнивая разность температур, то термический насос «перекачивает» его в оборотном направлении, от прохладного тела к подогретому, повышая его температуру. Примером служит обыденный холодильник: он конфискует тепло из морозильной камеры и дает его в комнату.

В текущее время суммарная электронная мощность действующих в мире ГеоЭС составляет около 10 ГВт, а термическая мощность геотермальных систем теплоснабжения оценивается в 17 ГВт.

Припасы геотермальной энергии в Рф очень значительны: фактически везде
есть припасы подземного тепла с температурой от 30 до 200°С. Сейчас на местности
Рф пробурено около 4000 скважин на глубину до 5 км, которые позволяют перейти
к широкомасштабному внедрению современных технологий для местного теплоснабжения
на всей местности нашей страны. В последнее десятилетие АО «Геотерм» и АО «Наука»
вместе с Калужским турбинным заводом занесли значимый вклад в внедрение
геотермальной энергии на Камчатке и Курильских островах. Построены Верхнемутновская
ГеоЭС мощностью 12 МВт и 1-ый блок Мутновской ГеоЭС мощностью 50 МВт. На Курильских
островах сооружены геотермальны е станции теплоснабжения.

Внедрение низкопотенциального тепла в сочетании
с термическими насосами

В текущее время отопление и горячее водоснабжение городов осуществляются, обычно, от городских ТЭЦ либо районных котельных, работающих на классическом горючем. Автономные потребители (коттеджи, дачи, садовые домики) употребляют для отопления и жаркого водоснабжения также и электроэнергию.

Совместно с тем огромное количество источников низкопотенциального тепла, как природных, так и искусственных, в купе с термическими насосами могут составить конкурентнсть классическому горючему. Термические насосы обширно используются для подогрева жилых и административных построек в США, Швеции, Канаде и других странах со схожими с Россией климатическими критериями. Расширяется опыт их внедрения и в нашей стране.

В качестве природных низкопотенциальных источников тепла больший энтузиазм представляют незамерзающие водоемы либо источники геотермального тепла. В почти всех регионах на маленькой глубине есть геотермальные воды с температурой 20-30°С. Там с каждого метра длины скважины глубиной от 10-ов до нескольких сотен метров, служащей теплообменником с циркулирующей жидкостью, можно получить от 70 до 300 Вт тепла.

Представляют энтузиазм комбинированные схемы, в каких вместе с внедрением тепла грунта утилизируются тепло вентиляционных выбросов и солнечная энергия, преобразуемая средством простого солнечного коллектора.

О обильном применении термических насосов идет речь уже издавна, но их внедрение очень ограничено. Нужно улучшать технологию, снижающую их цена и расходы на эксплуатацию, и знакомить возможных потребителей с этим очень многообещающим способом теплоснабжения.

Сверхпроводимость

Внедрение явления сверхпроводимости в энергетике всегда числилось очень многообещающим. Даже сверхпроводники, работающие при гелиевых температурах, кроме их приборного внедрения, полностью удачно работали в больших магнитных системах, индукционных накопителях энергии, запасающих до 108 и даже до 109 джоулей, в экспериментальных линиях электропередачи и электронных машинах.

Но особенных перспектив в разработке силовых проводников с большенными плотностями тока следует ждать после разработки высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), работающих при водородных и, можно возлагать, азотных температурах. А внедрение очень непростого с технической точки зрения явления сверхпроводимости, даже при азотных температурах, в электронных машинах, КПД которых в текущее время добивается 99%, представляется лишним — результатом станет только жалкий технико-экономический эффект.

Водородная энергетика

Термин «водородная энергетика» подразумевает обширное внедрение водорода в энергетических системах и в почти всех других секторах экономики наиблежайшего грядущего. Сейчас водород для целей энергетики фактически не применяется.

Вправду принципиальным аргументом внедрения водорода в энергетику служит охрана среды: при сжигании водорода в атмосферу выбрасывается только водяной пар. В особенности интенсивно в ближайшее время водород предлагают как горючее для автомобилей — он не только лишь не загрязняет атмосферу, да и приводит к экономии первичного горючего.

Водород, но, нельзя именовать источником энергии. Он в связанном виде заходит в состав воды, ряда природных углеводородов, биомассы, разных органических отходов. Получение водорода из их просит издержек энергии. Потому водород следует рассматривать как промежный энергоэлемент, и для его широкого внедрения необходимо решить задачки действенного производства, способов хранения и транспортировки, высокоэкономичного использования водорода для получения тепла, электронной и механической энергии.

Создание водорода

Повсеместное внедрение водородной энергетики просит разработки новых способов действенного и экологически незапятнанного производства водорода из углеводородного сырья, органических отходов и воды. Сейчас водород из углеводородов и органических отходов в большинстве случаев получают термохимическими способами; при его производстве из воды обычно используют электролиз либо разные высокотемпературные термохимические циклы.

Аккумулирование и хранение водорода в твердофазном связанном состоянии: в металлогидридах
и композитных наноструктурных материалах, в том числе металлугле родных и каталитических,
— более неопасно и для многих приложений более отлично. Исследования
и разработки таких технологий обхватывают создание и исследование как новых металлогидридных
систем, так и систем на базе новых материалов с усовершенствованной кинетикой сорбции
и завышенной емкостью по водороду. Их возникновение может конструктивно расширить практическое
внедрение аккумулирующих водород устройств на автотранспорте и в автономной
энергетике. В особенности принципиально это для неопасного хранения газа на борту транспортных
средств. Водород, как экологически незапятнанный энергоэлемент для производства электроэнергии,
можно использовать и в топливных элементах, и в энергетических установках.

Топливные элементы

В отличие от термических электрических станций, которые хим энергию горючего сначала конвертирует в тепло, а потом в электроэнергию, в топливном элементе происходит конкретное преобразование хим энергии в электронную. На теоретическом уровне вся хим энергия горючего может быть преобразована им в электроэнергию. Но при всей заманчивости идеи использования топливных частей в энергетике ее реализация наталкивается на суровые трудности. Вот поэтому их практическое применение и до настоящего времени очень ограничено, хотя механизм работы известен уже более полутораста лет. Основная сложность заключается в том, что и горючее и окислитель должны быть сначала превращены в ионы. В топливных элементах ионизация происходит при умеренных температурах в присутствии катализаторов, включающих металлы платиновой группы. Сейчас применительно к энергетике рассматривают несколько типов топливных частей с КПД от 40% до 70%, различающихся сначала типом электролита — переносчика ионов и нравом промежных реакций. Топливом для их служит водород, а окислителем — или кислород, или воздух. Принципная схема включает водородный анод, кислородный катод и электролит, проводящий те либо другие ионы. Теоретическая ЭДС элемента при стандартных критериях составляет 1,23 В.

Для примера разглядим топливный элемент со щелочным электролитом, который служит источником энергии для галлактических аппаратов. На его аноде происходят диссоциация и ионизация молекулярного водорода:

H2 ® 2H+ + 2e-.

В качестве электролита обычно употребляется раствор щелочи КОН. Ионы водорода под действием разности потенциалов меж анодом и катодом диффундируют через слой электролита к катоду. Электроны, образовавшиеся на аноде, при замыкании наружной электронной цепи перетекают к катоду, совершая полезную работу. На катоде происходит реакция

4H+ + 4e- + O2 ® 2H2O,

другими словами единственным продуктом реакции оказывается водяной пар.

Каждый тип топливных частей имеет свою предпочтительную область использования. Но для их широкого внедрения требуется более чем на порядок понизить цена частей. Конкретно в этом направлении, по-видимому, будут развиваться в наиблежайшие годы научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы.

Водородсжигающие установки

Многие исследования проявили, что по термодинамической эффективности паротурбинные и парогазовые водородсжигающие электроустановки мощностью 1-10 МВт близки к топливным элементам, а по удельной мощности (на единицу обскурантистского объема) превосходят их. При мощностях до 0,1-1,0 МВт для автономных потребителей более действенными возможно окажутся топливные элементы.

Как показал технико-экономический анализ разных вариантов использования водорода в энергоустановках, более целенаправлено, в том числе и исходя из убеждений безопасности, создавать водород в одном блоке с химическим генератором. В качестве его источника можно использовать алюминий, боро-, алюмогидриды и другие соединения, которые при хим и химическом окислении дают больший выход газа.

На этом, наверняка, можно окончить лаконичный обзор некоторых принципиальных заморочек
энергетики, основанный на более чем шестидесятилетнем опыте деятельности в области
энергетической науки, ее прикладного внедрения и данных о современном положении
дел в энергетике. Развитие и улучшение энергетики должны проводиться
на базе достижений базовой и прикладной наук, разработки новых технологий
— базы для сотворения высокоэффективного оборудования. А беря во внимание ту гигантскую
роль, которую играет энергетика, позволяя на базе технико-экономического анализа
принимать надлежащие политические решения, не будет огромным преувеличением
утверждать, что энергетика и в большой степени ее электроэнергетическая составляющая
почти во всем определяют безопасность страны.

Подписи к иллюстрациям

Илл. 1. На снимках: параболические зеркала-концентраторы в калифорнийской пустыне,
созданные для нагрева воды; солнечные преобразователи пичкают электроэнергией
коттеджи в голландском поселке; портативные фотоэлектрические панели дают возможность
индийским крестьянам слушать радио и глядеть телек.

Другие статьи из рубрики «Наука. Далекий поиск»