Александр Проценко - Энергетика сегодня и завтра

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

28 — в линии электропередачи

25 — на электропривод станка

19 — на вращающийся вал станка

1,5 — для обточки детали — необходимая энергия преодоления межмолекулярных 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.

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».