Источники электрической и тепловой энергии

В последние десятилетия в связи с активным стремлением решить проблему сохранения окружающей среды возрастает интерес к источникам энергии, образующейся без участия процесса горения. К таким источникам относятся и геотермальные источники, ветер, солнце, ядерное топливо.

Гидроисточники. В гидроисточниках потенциальная энергия воды превращается в электроэнергию. Электроэнергия вырабатывается на гидроэлектростанциях, где с помощью плотины поднимается уровень речной воды, и на приливных электростанциях, использующих энергию приливов и отливов на берегах морей и океанов.

После Второй мировой войны строительству гидроэлектростанций уделялось большое внимание, что явилось существенным вкладом в энергоресурсы. Строились мощные гидроэлектростанции, в том числе и на равнинных реках. Однако по прошествии непродолжительного времени выяснилось, что гидроэлектростанции на равнинных реках в связи с затоплением больших площадей плодородных земель приводят к нарушению экологического баланса, на восстановление которого требуются гигантские финансовые ресурсы. Гидроэнергетику можно считать перспективной только в том случае, когда используется естественный перепад уровней воды, например в реках, строительство гидроэлектростанций на которых существенно не влияет на природную среду. Приливные электростанции наносят меньший ущерб окружающей среде, чем гидроэлектростанции на равнинных реках, но до сих пор доля вырабатываемой ими электроэнергии остается сравнительно небольшой.

Весьма необычная гидроэлектростанция – ледниковая ГЭС – уже несколько лет успешно работает в Гренландии. Турбина ледниковой ГЭС приводится в движение водой, поступающей по тоннелю из водохранилища у подножья большого ледника. Летом ледник подтаивает, талая вода по трещинам собирается и стекает в водохранилище. Зимой ледник нарастает за счет снега, а запасов воды, накопившихся летом, хватает на всю зиму.

Геотермальные источники. Оценочные расчеты показывают, что запасы тепла в десятикилометровом слое земной коры превышают тепловую энергию, запасенную во всех горючих источниках нашей планеты, приблизительно в 5000 раз. Действительно, геотермальные источники обладают гигантским запасом энергии, доля которой в энергетическом мировом балансе, к сожалению, до сих пор остается незначительной. Геотермальные месторождения известны в Исландии, Гренландии, Новой Зеландии, Индонезии, Японии, США, Чили, Сальвадоре, России и в других странах. Тепло подземных вод широко используется в Италии, где с начала века работают геотермальные станции. Наиболее крупные геотермальные месторождения – в Тоскане и в районе Неаполя, где скважины выводят пароводяную смесь с температурой 200–245°С.

В Исландии, стране вулканов и гейзеров, около 7 тыс горячих источников общей мощностью более 1 млн ккал/с. Рейкьявик (столица Исландии), расположенный вблизи Северного полярного круга, полностью теплофицирован за счет термальных вод. Воды горячих источников здесь используются не только для отопления, но и для городских теплиц и оранжерей, в которых выращивают цветы, овощи и даже цитрусовые.

По приблизительным оценкам, запасы термальных вод с температурой от 50 до 250°С в нашей стране составляют не менее 20 млн м³ в
сутки. Этот огромный резерв экологически чистой тепловой энергии может заменить до 150 млн. т органического топлива. Особенно богаты горячими источниками Камчатка и Курильские острова.

Ветер. Было время, когда вода и ветер служили едва ли не единственным источником энергии. Еще в начале нынешнего века, в 1910 г., в России насчитывалось примерно 1 млн ветряных мельниц и приблизительно столько же водяных. Сегодня всю эту энергетику называют нетрадиционной.

Каждый источник энергии должен работать там, где дает наибольшую отдачу и приносит максимальную выгоду. На севере у нас располагаются огромные труднодоступные территории. Вырабатывать здесь энергию очень сложно, и цена ее более высокая, чем в центре страны. Вот здесь и могут найти применение ветроустановки. Скорость ветра на побережье морей и океанов составляет в среднем за год более 6 м/с. При работе ветроустановки мощностью в 1 МВт в течение шести месяцев потребитель может получить около 2,5 млн. кВт энергии, что вполне достаточно для обеспечения теплом и светом поселка в 150 жилых домов.

Современная ветроустановка мощностью в 1 МВт состоит из ветроколеса диаметром 48 м, установленного на стальной конической башне высотой 40 м, на которой смонтированы агрегат для передачи мощности от ветроколеса к генератору, система управления и тормозной механизм. Ветроустановка полностью автоматизирована: сама «ловит ветер» и проверяет перед запуском состояние всех узлов и агрегатов. При скорости ветра 3,5–4 м/с развивается мощность 40–50 кВт, а при скорости 13,5 м/с – 1000 кВт. Срок службы установки 20–25 лет, и стоит она примерно 1 млн долл. К 1998 г. в России насчитывалось около 150 крупных и примерно 100 легких ветроустановок, в то время как за рубежом их общее число составило более 130 тыс. Сегодня почти все развитые страны строят ветроустановки. Лидирует среди них маленькая страна Дания. Около двух десятилетий назад именно она дала толчок развитию современной ветроэнергетики. В этой стране работают более 4 тыс самых эффективных установок с лучшими показателями в мире. Датчане построили заводы по производству ветроустановок в Индии, Китае и США. Ветроустановки производятся и в России. По своим техническим характеристикам они не уступают зарубежным аналогам. Ветроустановки порождают вибрации и шум, неблаготворно влияющие живые организмы, поэтому их строят обычно вдали от населенных пунктов. Металлические лопасти могут создавать помехи для радио- и телепередач, но все же в целом ветроэнергетику принято считать экологически безопасной.

Многие страны активно развивают ветроэнергетику. Например, Германия по выработке ветроэнергии в последние годы приблизилась к США, а по числу фирм, производящих ветроустановки, догнала Данию. Немецкие ветроустановки наполняют рынок Бразилии, Мексики, Китая и других стран.

Солнце. Солнце обладает колоссальным запасом энергии. Мощность его излучения составляет 2,86 ´ 10³³ кВт. Земля получает лишь небольшую долю солнечной энергии, равную 2 ´ 10^–7, и такого количества вполне достаточно для обеспечения многообразия форм жизни на Земле. За трое суток Земля получает от Солнца такое количество энергии, которое можно было бы подать при сжигании всех природных запасов угля, газа, нефти и древесины. Несмотря на то, что потенциал солнечной энергии чрезвычайно велик, разработанные к настоящему времени гелиоустановки вырабатывают сравнительно небольшую долю энергии. В качестве преобразователей солнечной энергии в электрическую применяются полупроводниковые фотоэлементы из кремниевых пластин. Эффективность их преобразования составляет около 15%, а в перспективе она может достигнуть 30–40%. Однако все же сравнительно медленное развитие гелиоэнергетики определяет другой фактор – сумма капиталовложений на 1 кВт электроэнергии, вырабатываемой гелиоустановкой, примерно в 1000 раз больше, чем на гидроэлектростанции. Предполагается, что овладение процессом фотосинтеза сделает доступным широкое применение солнечной энергии. В лабораторных условиях вне растительной клетки уже осуществлена первая фаза данного процесса – произведено фотохимическое разложение воды на элементы. Образующийся водород – превосходный энергоноситель: из известных нерадиоактивных веществ он обладает самой высокой плотностью энергии – 33 кВт/кг (плотность энергии углерода равна всего 9,1 кВт/кг).

В процессе фотосинтеза в зеленых растениях из энергетически бедных соединений – углекислого газа и воды образуется более сложный по структуре и богатый энергией крахмал, из которого синтезируются жиры, белки, целлюлоза и другие органические компоненты. Как известно из периодической печати, совсем недавно нечто подобное смогли сделать японские ученые. Смесь, состоящую из размолотого магнетита и угольного порошка, они подвергли облучению концентрированным солнечным светом и нагрели ее до 1200°С. В результате химической реакции образовались водород и угарный газ. Из данных газов можно синтезировать, например, метиловый спирт, который может служить превосходным горючим для автомобилей. Кпд такого процесса достигает 47,6%, тогда как кпд фотосинтеза – 1–2%.

Ядерное топливо.Ядерное топливо – чрезвычайно энергоемкий источник энергии. Например, 1 кг урана-235 при расщеплении выделяет 24 млн кВт энергии, что соответствует теплотворной способности 3 тыс. т каменного угля, т.е. 1 кг урана дает почти в 3 млн раз больше энергии, чем 1 кг каменного угля, или в 7 млн раз больше, чем 1 кг бурого угля.

В отличие от углеродосодержащих носителей энергии, которые применяются и как сырье для химической промышленности, уран представляет практический интерес преимущественно для производства электрической и тепловой энергии. Однако, несмотря на это, при возрастающем спросе на атомную энергию запасы урана-235 через некоторое время будут исчерпаны. Вместе с тем огромные возможности для развития атомной энергетики открываются с созданием реакторов-размножителей (бридеров), в которых выработка энергии сопровождается производством вторичного горючего – плутония, что позволит кардинально решить проблему обеспечения ядерным топливом. Как показывают оценки, 1 т гранита содержит примерно 3 г урана-235 и 12 г
тория-232 (именно они используются в качестве сырья в бридерах). При потреблении 5 ´ 10⁸ МВт энергии (на два порядка выше, чем сейчас) запаса урана и тория в граните хватит на 10⁹ лет. Первый опытно-промышленный реактор на быстрых нейтронах мощностью до 350 МВт построен в г. Шевченко на берегу Каспийского моря. Он используется для производства электроэнергии и опреснения морской воды, обеспечивая водой город и прилегающий район нефтедобычи с населением около 150 тыс человек.

Колоссальным источником энергии может стать термоядерный синтез – образование из легких ядер более тяжелых. При термоядерном синтезе энергии выделяется на один нуклон значительно больше, чем в реакции деления тяжелых ядер. Например, если при делении ядра
урана-238 выделяется энергия 0,84 МэВ на один нуклон, то при термоядерном синтезе дейтерия и трития – примерно 3,5 МэВ. Термоядерные реакции дают наибольший выход энергии на единицу массы «горючего», чем любые другие превращения. Так, количество дейтерия в стакане простой воды эквивалентно примерно 60 л бензина. Поэтому перспектива осуществления управляемого термоядерного синтеза выглядит весьма заманчиво. Трудность реализации этой идеи на практике заключается в том, что такой синтез возможен при очень высокой температуре – 10⁷–10⁸ К. В данном случае синтезируемое вещество находится в плазменном состоянии, и возникает техническая проблема удержания горячей плазмы в ограниченном объеме. Предполагается, что термоядерный синтез – основной источник энергии Солнца и звезд.

Впервые искусственная термоядерная реакция осуществлена в СССР в 1953 г., а затем через полгода – в США в виде взрыва водородной (термоядерной) бомбы, представляющего неуправляемую реакцию синтеза. Взрывчатое вещество в водородной бомбе – это смесь дейтерия и трития. Запалом в ней служит обычная атомная бомба, при взрыве которой возникает сверхвысокая температура, необходимая для синтеза легких ядер.

Над решением проблемы управляемого термоядерного синтеза работают ученые многих стран в течение нескольких последних десятилетий. Один из путей решения данной проблемы – удержание горячей плазмы в ограниченном объеме сильными магнитными полями, для чего создаются сложнейшие в техническом исполнении термоядерные реакторы. Один из первых подобных реакторов – Токамак-10 был собран в 1975 г. в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова.

Управляемый термоядерный синтез открывает человечеству доступ к неисчерпаемой «кладовой» ядерной энергии, запасенной в легких элементах. Извлечение энергии возможно из дейтерия, содержащегося в обычной воде. Расчеты показывают, что количество этого элемента в океанской воде составляет примерно 4 ´ 10¹³ т, чему соответствует энергетический запас 10¹⁷ МВт-год, а такие энергетические ресурсы можно считать неограниченными. Остается только надеяться, что проблема управляемого термоядерного синтеза в недалеком будущем будет успешно решена.

https://studopedia.ru/2_30146_istochniki-elektricheskoy-i-teplovoy-energii.html

Эффективность энергосистем

В настоящее время во многих странах значительная часть тепловой и электрической энергии получается от сжигания углеродосодержащих горючих ископаемых – нефти, природного газа и угля, поэтому повышение эффективности такого производства энергии и увеличение кпд различного рода энергетических установок имеет очень большое значение. Если, к примеру, кпд паровых машин составляло всего 2–5%, то для большинства современных электростанций кпд превышает 30%. Это означает, что из каждой тонны топлива примерно 700 кг тратится на бесполезное нагревание воды, воздуха, деталей установки.

В последние десятилетия за счет оптимизации процессов и совершенствования технологического оборудования кпд энергетических установок удалось повысить примерно до 40%, что приближается к пределу в 44%, определяемому законами термодинамики. Следовательно, нужно искать новые способы производства энергии. Одним из перспективных способов превращения тепловой энергии в электрическую считается магнитогидродинамический (МГД) метод. В МГД–генераторе энергия электропроводящей среды (обычно низкотемпературной плазмы), движущейся в магнитном поле, непосредственно преобразуется в электрическую энергию. В таких генераторах ожидается получить кпд до 65%, однако реально данный показатель не превышает 40%, что и сдерживает их широкое промышленное применение.

Представляет интерес превращение химической энергии в механическую, которое реализуется при мышечной деятельности живых организмов. Это удалось испытать в лабораторных условиях: синтезирована пластмассовая пленка, которая под влиянием щелочей растягивается вдвое и увеличивается в объеме в 8 раз, а под действием соляной кислоты сокращается. В результате такой деформации пленки можно совершить полезную работу, например в виде поднятия груза. Для возбуждения сжатия и расширения в лабораторных моделях механизмов уже применялись белковые волокна в сочетании с растворами солей различных концентраций.

Прямое превращение химической энергии в электромагнитную происходит в сравнительно недавно созданных химических лазерах, в которых возбужденное состояние атомов достигается за счет энергии химических реакций, преобразующейся в энергию электромагнитного излучения. Производство электроэнергии сопровождается большими потерями. Существенные потери происходят и при передаче электроэнергии, особенно на большие расстояния. В последние десятилетия интенсивно ведутся работы по синтезу электропроводящих материалов проводников для передачи электроэнергии с минимальными потерями. Уже синтезированы высокотемпературные сверхпроводящие материалы, что является крупнейшим достижением естествознания. Вместе с тем для передачи электроэнергии наиболее практичны проводники, сверхпроводящее свойство которых проявлялось бы не при низких, а при обычных температурах. С большими потерями связано использование электроэнергии. Например, энергетический кпд для процесса синтеза аммиака составляет 25–42%, хотя потребление энергии для такого процесса за последние 50–60 лет уменьшилось более чем на 50%. Энергетический кпд для обычных способов получения винилхлорида равен 12%, а для его синтеза из NО – всего лишь 5–6,5%. В большинстве случаев на высокотемпературных процессах теряется до 60–70% энергии.Потери энергии в химической промышленности во многих случаях обуславливаются объяснимыми объективными факторами, связанными с уровнем развития не только химии, но и естествознания в целом. Однако есть и субъективные причины. Одна из них заключается в том, что очень часто химики занимаются разработкой методов превращения веществ с высоким выходом конечной продукции, не придавая должного внимания разработке энергетически эффективных технологических процессов.
В результате получается, что для многих технологических процессов энергетический кпд сравнительно небольшой, а выход конечной продукции достаточно высок. Повышение энергетического кпд процессов и аппаратов – одна из важнейших задач химической промышленности. Возможны разные пути ее решения: улучшение условий химических реакций; уменьшение числа стадий технологического процесса; проведение реакций при обычных температурах и давлении окружающей среды; приближение химических процессов к биологическим и, наконец, разработка новых технологических приемов. Сохранение энергетических ресурсов – неотъемлемая задача всех отраслей материального производства.

https://studopedia.ru/2_30147_effektivnost-energosistem.html

Радиоактивные изотопы

Изотопы – разновидности химических элементов, у которых ядра атомов отличаются числом нейтронов, но содержат одинаковое число протонов и поэтому занимают одно и то же место в периодической системе элементов. Различают устойчивые (стабильные) и радиоактивные изотопы. Термин «изотопы» впервые предложил в 1910 г. Фредерик Содци (1877–1956), известный английский радиохимик, лауреат Нобелевской премии 1921 г., экспериментально доказавший образование радия из урана.

Применение радиоактивных изотопов.Радиоактивные изотопы широко применяются не только в атомной энергетике, но и в разнообразной приборной технике, медицине и т.п. В промышленно развитых странах выпускается множество приборов и аппаратов, содержащих радиоактивные изотопы. Все они служат для определения плотности, однородности, гигроскопичности и других характеристик материалов.

С помощью радиоактивных изотопов можно проследить за перемещением химических соединений при физических, технологических, биологических или химических процессах. Для этого используются меченые атомы (радиоактивные индикаторы). В исследуемое вещество вводят радиоактивные изотопы определенных элементов, тем самым метят его и затем наблюдают за движением меченых атомов. Данный способ позволяет исследовать механизмы реакций при превращениях веществ в сложных условиях, например в доменной печи или в аммиачном реакторе, а также изучать процессы обмена веществ в живых организмах. Например, введение изотопа азота-15 позволяет исследовать процесс биологического связывания азота воздуха растениями семейства бобовых (гороха, клевера, вики и др.). Изотоп кислорода-18 помогает выяснить механизм дыхания живых организмов.

Радиоактивный метод анализа вещества дает возможность определить содержание в нем различных металлов от кальция до цинка в чрезвычайно малых концентрациях – до 10^–10 (для этого требуется всего лишь 10^–12 г вещества).

Радиоактивные препараты оказались полезными и в медицинской практике. С их помощью осуществляется лечение многих заболеваний, в том числе и злокачественных опухолей.

Изотопы плутония-238, кюрия-224 и др. могут применяться для производства батарей небольшой мощности – от киловатта до милливатта, используемых, например, в приборах для стабилизации ритма сердца. При этом для бесперебойной работы на протяжении по крайней мере
10 лет достаточно всего 150–200 мг плутония (оксидортутные батареи служат до 4 лет).

В результате радиационно-химических реакций из кислорода образуется озон, из газообразных парафинов – водород и сложные соединения низкомолекулярных олефинов. Облучение полиэтилена, поливинилхлорида и других полимеров приводит к повышению их термостойкости и прочности. Можно привести множество других примеров практического применения изотопов и радиоактивного излучения. Вместе с тем отношение людей к радиации, особенно в последние десятилетия, резко изменилось. За примерно столетнюю историю радиоактивные источники прошли долгий путь от эликсира жизни до символа зла.

https://studopedia.ru/2_30148_radioaktivnie-izotopi.html

Плазмохимические процессы

Плазмохимические процессы протекают в слабоионизированной, или низкотемпературной, плазме при температуре от 1000 до 10000˚С. Такие процессы характеризуются возбужденным состоянием ионизированных и неионизированных частиц, столкновения которых приводят к очень высокой скорости химических реакций.

В плазмохимических процессах скорость перераспределения химических связей между реагирующими частицами очень высока: длительность элементарных актов химических превращений составляет около 10^–13с при почти полном отсутствии обратимости реакции. Такая скорость в обычных заводских реакторах из-за обратимости снижается в тысячи и миллионы раз, поэтому плазмохимические процессы высокопроизводительны.

Производительность метанового плазмохимического реактора – плазмотрона крохотных размеров (длиной 65 см и диаметром 15 см) – составляет 75 т ацетилена в сутки. По производительности такой плазмотрон не уступает огромному заводу. В данном реакторе при температуре 3000–3500°С за одну десятитысячную долю секунды около 80% метана превращается в ацетилен. Степень использования энергии достигает 90–95%, а энергозатраты составляют не более 3 кВт-ч на 1 кг ацетилена. В то же время в паровом реакторе пиролиза метана энергозатраты вдвое больше.

В последнее время разработан эффективный способ связывания атмосферного азота посредством плазмохимического синтеза оксида азота, который гораздо экономичнее традиционного аммиачного способа. Создана плазмохимическая технология производства мелкодисперсных порошков – основного сырья для бурно развивающейся порошковой металлургии. Разработаны плазмохимические методы синтеза карбидов, нитридов, карбонитридов таких металлов, как титан, цирконий, ванадий, ниобий и молибден, при сравнительно небольших энергозатратах –
1–2кВт-ч на 1 кг готовой продукции. Плазмохимические способы промышленного производства многих видов химической продукции отличаются высокой производительностью при сравнительно небольших затратах энергии.

В 70-х годах XX в. созданы плазмохимические сталеплавильные печи, производящие высококачественный металл. Именно таким печам принадлежит будущее в электрометаллургии. Ионно-плазменная обработка рабочей поверхности инструментов позволяет увеличить их износостойкость в несколько раз. В результате подобной обработки можно сформировать, например, пористый рельеф на ровной поверхности. Ионно-плазменное напыление в вакууме широко применяется для формирования элементов микронных размеров современных интегральных схем микроэлектроники.

Методом плазменного напыления можно нанести пористое покрытие со сложной микроструктурой, которая способствует срастанию эндопротеза с костной тканью. Такие покрытия обладают большой удельной поверхностью. С их помощью можно увеличить эффективность катализатора для дожигания выхлопных газов автомобиля. Пористые покрытия, нанесенные на поверхность теплообменников, увеличивают коэффициент теплоотдачи, а пористые керамические покрытия служат надежной защитой от теплопотерь.

Плазмохимия позволяет синтезировать такие ранее неизвестные материалы, как металлобетон, в котором в качестве связующих материалов используются сталь, чугун, алюминий. Металлобетон образуется при сплавлении частиц горной породы с металлом и по прочности превосходит обычный бетон: на сжатие – в 10 раз и на растяжение – в 100 раз.

https://studopedia.ru/2_30149_plazmohimicheskie-protsessi.html