Введение. Лекция 1. Введение. Энергосбережение, как наука
Лекция 1. Введение. Энергосбережение, как наука. Современное состояние мировой и отечественной энергетики. Ресурсы и резервы. Роль топливно-энергетического комплекса (ТЭР) в народном хозяйстве страны. Энергетические кризисы.
Введение.
Вся история развития человечества тесно связана с историей использования энергии. Все живые организмы используют энергию в процессе жизни и только человек, кроме внутренней энергии, которая используется для жизни как биологического вида, дополнительно использует внешнюю энергию, которая в миллионы раз превышает внутреннюю.
Нынешняя промышленность, транспорт, коммунальное хозяйство, жилой фонд, военная техника, связь и др. используют огромное количество внешней энергии. На сегодняшний день потребности человечества в энергии покрываются в основном за счет использования минеральных топлив (нефть, газ, уголь ….), запасы которых на земле ограничены.
Владение значительными запасами органических ископаемых энергоносителей даст государству значительные экономические и политические преимущества. Вместе с тем, любое материальное богатство создает и угрозы силового перераспределения энергетических богатств.
Страны, в которых нет достаточного количества органических ископаемых энергоносителей, часто подвергаются экономическому и политическому прессингу.
Милитаристические, политические, информационные и другие войны велись и ведутся ради присвоения чужой энергии, особенно если ее концентрация в стране высокая.
Военные конфликты последнего времени могут быть примерами за передел, завладение или управление чужими источниками энергии.
Интенсивное использование органических ископаемых энергоресурсов может привести к потере равновесия биосферы, разрушит экосистему и создаст угрозу жизни на Земле. При сохранении темпов добычи и использования традиционных источников энергоресурсов на теперешнем уровне запасы угля на планете будут использованы приблизительно за 200 лет, нефть – 45 лет, газ – 65.
Разумно ли сжигать органические ископаемые ресурсы, которые могут служить сырьем на химических и других отраслях промышленности?
Еще в конце ХІХ века Менделеев предупреждал, что отопление нефтью равноценно отоплению ассигнациями (кстати США законсервировала все свои нефтяные скважины).
В ХХІ столетие человечество вошло с четырьмя важнейшими мировыми взаимосвязанными проблемами:
- недостаточность энергии;
- истощение запасов горючих ископаемых;
- постоянно возрастающее загрязнение окружающей среды;
- увеличение народонаселения планеты.
С целью преодоления этих проблем работают многие страны мира (к сожалению не все).
Проводятся исследования для получения новых источников энергии, внедряется альтернативная энергетика, разрабатываются новые технологи использования энергии, широко используется энергосбережение.
Прежде чем говорить о энергосбережении вспомним, что такое энергия и рассмотрим этапы освоения энергии человечеством.
Энергия – это способность выполнять работу. Энергия измеряется в джоулях. Джоуль можно определить как: работу, выполняющую силой в один Ньютон, при перемещении тела на расстояние один метр.
В качестве более практичных примеров можно привести следующие:
- 1 удар сердца требует энергии в 1 Джоуль;
- чтобы поднять температуру одного литра воды на 1 градус, необходимо 4182 Дж.;
- минимальное количество энергии, затраченное для приготовления 1 чашки кофе – 72 000 Дж.
Энергия, кроме величины (Дж) может измеряться в кал., кВт·ч , т.у.т. (тонна условного топлива).
Для сопоставления различных видов топлива, суммарного учета его запасов, оценки эффективности использования энергетических ресурсов, сравнения показателей теплоиспользующих устройств принята единица измерения условное топливо, теплота сгорания которого равна 29,33 МДж/кг. Для сравнительного анализа обычно используется единица измерения тонна условного топлива:
1 т у. т. = 29,33∙109 Дж = 7∙106 ккал = 8,12∙103 кВт∙ч.
Этот показатель соответствует хорошему малозольному углю, который иногда называется угольным эквивалентом. За рубежом для анализа используется условное топливо с теплотой сгорания 41,9 МДж/кг. Этот показатель называется нефтяным эквивалентом [7].
Таблица1. Таблица перевода единиц энергии.
| Дж | Кал. | кВт·ч | т.у.т | |
| Дж | 0,239 | 2,78 ·10-7 | 3,41· 10-11 | |
| Кал | 4,187 | 1,16 · 10-6 | 1,43 · 10-10 | |
| Квт ч | 3,60 · 106 | 8,6 · 105 | 1,23 · 10-4 | |
| т.у.т | 2,93 · 1010 | 7 · 109 | 8,15 · 103 |
Энергия может существовать в различных видах, включая следующие:
- теплота;
- электрическая;
- химическая;
- механическая;
- кинетическая;
- потенциальная.
В соответствии с первым законом термодинамики мы знаем, что энергия не может быть уничтожена или создана, она может лишь переходить из одного вида в другой. Поэтому сжигая газ, чтобы подогреть воду, мы превращаем химическую энергию в тепловую энергию воды.
Энергия является общей количественной характеристикой движения материи. Фундаментальные законы превращения энергии исследует термодинамика, а преобразование энергии в экологических системах – биоэнергетика (исследует процессы в клетках, особях, экосистемах…).
Весь длительный процесс освоения энергии человеком можно условно разделить на пять этапов.
I этап - этап мускульной энергии длился до V – VII в н.э.
Одним из самых замечательных достижений этого периода является овладение огнем: вначале - поддержание костра, а затем – добывание огня и запаса первого энергетического ресурса – дров.
II - этап (VII – XVII в.в.) относится к использованию энергии движущейся воды и ветра, источники энергии, которые всегда были перед ним: движущиеся воду и ветер . Водяное колесо, вращаемое потоком воды, насчитывает более чем двутысячелетнюю историю. Водяные и ветряные мельницы получили широкое распространение и к XI в. их насчитывалось десятки тысяч.
Создавались прядильные и ткацкие станки, металлический сельхозинвентарь, лесопильные установки. На все требовалось огромное количество металла. Добывать руду и уголь становилось все труднее. Из-за выработки большого количества древесного угля сводились на нет огромные площади леса. Это был I серьезный экологический кризис, связанный с развитием промышленности.
Но гораздо более серьезным и угрожающим был энергетический кризис. Всем новым машинам нужны были мощные, постоянно действующие двигатели, независимые от их расположения , ни от сезона года в отличие от ветряных и водяных колес. Идея надежного двигателя недаром занимала умы мыслителей того времени. Своеобразным отражением актуальности такой идеи являлись многочисленные попытки создать вечный двигатель. Поэтому крайне важным и своевременным для науки и практики было решение Парижской академии (1775 г.) не рассматривать утопических проектов вечных двигателей из-за невозможности их создания. Выход из энергетического кризиса средневековья был найден с помощью приручения «движущей силы огня», используемой для нагрева испарения воды и использование силы сжатого пара. Таким образом, наступил III этап.
III этап – (с XVIII в. до начала XX в.). Соответствует все более широкому применению движущей силы огня, источником которого является химическая энергия топлива, наполненная в былых биосферах: каменного угля, нефти, газа, горючих сланцев и т.д. когда была построена первая паровая машина, нам неизвестно, но официально считается, что она была разработана в Англии Джеймсом Уаттом во второй половине XVIII в. Первоначально паровые машины распространялись необычайно быстро в Англии, затем в Европе и Северной Америке. Появились первые самодвижущиеся по рельсам повозки ( паровозы), по рекам пошли пароходы, а в 1838 г. Атлантический океан пересекли два парохода, использующие только паровую тягу. Таким образом, к середине XIX века паровые машины практически везде пришли на смену естественным источникам энергии: воды и ветру. Наступил «золотой век пара».
Уже к середине ХIХ в., из-за увеличивающейся потребности в энергетических мощностях экспоненциально растущей экономики, перед техникой была поставлена задача создания новых двигателей, работающих на новой более совершенной основе с более высоким КПД. Такими двигателями явились паровые турбины и двигатели внутреннего сгорания (ДВС).
В настоящее время паровые турбины достигли высокого совершенства, обладают высокой экономичностью и широко используются в современной теплоэнергетике. Особенно актуально использование комбинированных парогазовых установок (ПГУ), экономичность которых на 20-25% выше, чем у лучших паровых энергоблоков. В оптимальных схемах ПГУ с мощными современными газовыми турбинами уже достигнут КПД 52%, спроектированы установки с КПД до 54 %.
Практическое использование ДВС стало возможным после работ техника Отто в 1877 г. Он применил принцип сжатия свежей газовоздушной смеси в цилиндре и ее воспламенение. В 1895 г. построен двигатель Дизеля и начинается широкое применение жидкого топлива в ДВС.
В недрах XIX в. зрели новые способы преобразования и использования энергии, но только в начале XX в. электричество вступило в права основного энергодателя, энергопреобразователя и энергопереносчика. Наступил IV этап в развитии энергетики.
IV этап – благодаря открытию электричества, а главным образом созданию многочисленных двигателей, для человечества оказалось возможным освоить и энергетически обеспечить практически все уголки нашей планеты, более или менее пригодные для жизни. Электрическая энергия имеет большие преимущества перед другими видами: она быстро и с малыми потерями передается на большие расстояния, легко преобразуется в другие виды энергии, КПД электропреобразователей может быть очень высоким. Отметим, что 80% получаемой в мире энергии, большая часть которой превращается в электрическую на огромных ТЭС, производится на основе паровых турбин с использованием органического топлива: угля, нефти, газа.
V этап – этап создания и развития атомной энергетики. Интересно отметить, что для этого этапа развития энергетики, основанного на использовании атомной энергии, основным энергоносителем тоже является пар. Современная атомная - типичная тепловая станция. В них топка парового котла заменяется атомным реактором, а «тепловое тело» – пар – остается. А это значит, что КПД таких станций, как и ранее, не будет достаточно высоким [ВС].