5.4. Проблемы оценки и управления технологическими рисками

Ключевым моментом для становления нового мышления было начало первого мирового энергетического кризиса 1973 г.. Этот кризис является инициатором формирования и утверждения доктрины энерго- и ресурсосбережения в экономике развития западных стран, Европы, США и Японии.

Развитие стратегии энерго и ресурсосбережения имело и еще одно важнейшее следствие – интенсификацию технологических процессов по энерго и ресурсоносителям .в технологически замкнутых контурах рециркуляционных и рекуперационных систем. Хотя общая энергоемкость таких процессов значительно сократилась, однако в активных технологических зонах интенсификация процессов обеспечивалась резким увеличением количественных значений технологических параметров (температура, давление, скорости реакций и т. п.). Использование интенсивных технологий, способствовало, с одной стороны, повышению требований к качеству и надежности оборудования, а с другой – переходу на качественно новый уровень автоматизации производства.

Казалось бы, борьба за максимальное использование исходных компонентов (энергии и ресурсов) в целевых продуктах производства (товарах и услугах) должна приводить к сокращению негативного воздействия промышленных предприятий на компоненты природной среды, повышению степени безотходности технологий как единственно правильного пути защиты окружающей среды от вредных воздействий, от тепловых воздействий. Однако, интенсификация энергонасыщенных процессах с использованием старого оборудования и материалов сопряжена с потенциальной опасностью внезапного катастрофического поражения природных объектов и населения.

Это противоречие обусловило постановку новой проблемы, то есть необходимости оценки риска существующих и проектируемых технологий для безопасности окружающей среды от локального до глобального уровней.

Исторически проблема оценки риска возникновения отказов, аварий и катастроф разрабатывалась применительно к транспортным системам, автоматизированным производствам и энергетическим комплексам с большим количеством элементов на основе исследования методами теории надежности преимущественно внутренних процессов. Влияние внешних факторов на технические системы оценивалось преимущественно исходя из концепции возможности или невозможности (при экстремальных внешних воздействиях) их безотказного функционирования с целью производства продукции (энергии). При этом практически не учитывалась потенциальная опасность технических систем для жизненной среды при нарушении технологических регламентов и техники безопасности, а также превышении расчетных уровней воздействий. Немаловажным обстоятельством, как показала практика многих катастроф, являлась недооценка «человеческого» фактора при недостаточной надежности современных технологий и автоматических систем.

Мерой оценки такой потенциальной опасности может быть степень риска той или иной технологии или технологической системы для здоровья человека и для природных экосистем.

Как и многие другие проблемы, проблема оценки риска и прогнозирования потенциальной опасности технологических систем стала очевидной и актуальной, когда последствия отдельных значительных аварий и катастроф взбудоражили общественное мнение и затронули политические структуры.

Такими событиями в США явились авария на ядерном реакторе АЭС «Три Майл Айленд» (штат Пенсильвания, 1979 г.), которая послужила поводом для серьезной переоценки опасных технологий и альтернативных изысканий технических решений, а также возможностей индикации потенциально опасных секретных объектов и производств. Тогда при национальном научном фонде США была учреждена специальная комиссия по проблеме риска. Новое научное направление получило название «анализ риска» и строилось на концепции приемлемого (по последствиям) уровня риска.

В то же время, в бывшем СССР при создании и эксплуатации сложных технических систем и комплексов использовалось концепция абсолютной безопасности. Ее реализация предусматривала разработку и применение на практике таких технических средств, организационных мероприятий, учебных программ подготовки обслуживающего персонала; инструкций и правил, регламентирующих порядок проведения всех видов работ, которые гарантировали бы невозможность возникновения аварийных ситуаций катастрофических масштабов по техническим причинам. Наличие развитой системы контролирующих органов дополняло эту систему безопасного функционирования. Понадобилась Чернобыльская АЭС, трагедии атомных подводных лодок (в том числе АПЛ «Курск» в 2000 г.), чтобы вслед за США возникла необходимость пересмотреть эти взгляды. Характерно, что год Чернобыля (1986 г.) стал трагическим и для США, ознаменовшись аварией при взлете космического корабля "Челенджер", в результате которой погиб экипаж и резко затормозилась вся американская программа пилотируемых полетов.

Вполне вероятно, что именно эти катастрофы послужили толчком к резкой активизации исследований в двух основных направлениях теории анализа риска.

Первое направление - связано с анализом и оценкой потенциальной опасности производственных технологий и технических решений и разработкой рекомендаций по предупреждению и профилактике чрезвычайных ситуаций (ЧС). В этих исследованиях предлагалось проводить ситуационный анализ, выявлять ключевые факторы и противоречия в процессе функционирования объекта, устанавливать условия неопределенности и разрабатывать сценарии возможного развития ЧС. Итоговым результатом реализации первого направления являлись рекомендации по организации системы решений с банком информационных данных по их практической реализации.

Второе направление связано с изучением риска для населения и компонентов окружающей среды при масштабном воздействии ЧС на территорию и население. Методология оценки риска в этом случае включает результаты оценки риска по объекту возникновения ЧС на основе исходных данных, характеризующие источник опасности. Разработка сценариев распространения ЧС по территории строится с использованием этих данных и методов ОВОС, а также специфических методов, учитывающих ударные дозы поражающих факторов и внезапность возникновения катастрофы. Эти специфические методы были заимствованы из самых перспективных направлений в военной области и перенесены в область экологической безопасности. Результатом исследований по анализу рисков второго направления являются рекомендации по допустимой концентрации потенциально опасных объектов на данной территории, а также рекомендации по организации системы принятия и реализации управленческих решений в процессе возникновения, развития и ликвидации ЧС и ее последствий.

Главными задачами в проблеме оценки риска являются определение допустимых уровней (приемлемого риска), прогнозирование чрезвычайных ситуаций (ЧС) и разработка системы управления при возникновении и ликвидации ЧС и ее последствий. Над методологией решения этих задач интенсивно работают во многих институтах, университетах и национальных центрах США, России, Европы, однако пока еще процедура оценки и управления риском не получил такой законченной научно-методической базы, как процедура ОВОС. Основная причина заключается в значительно большей системе неопределенности и многофакторности суммы процессов, которые реализуются в одном событии - катастрофе, с последующим распространении последствий ЧС, опять-таки, в условиях неопределенности.

Особую актуальность проблема оценки и управления риска при потенциальной опасности возникновения ЧС приобретает в условиях политической нестабильности. Не следует забывать, что на территории России эксплуатируется более 800 ядерных и 1500 химических и биологических объектов повышенной опасности, а также эксплуатируется десятки тысяч км трубопроводов, по которым перемещаются сотни тысяч тонн взрыво-пожароопасных продуктов и отравляющих продуктов, а крупнейшие аварии и катастрофы по своим последствиям не имеют границ.

Основной целью программы является разработка единых научно-технических, правовых и социально-экономических основ национальной политики в области обеспечения безопасности, защиты человека, территории и среды обитания от кризисно масштабных аварий и катастроф.

Заключение. Проблемы и перспективы развития энергетики

Энергия, характеризующая запасы работоспособности и меру различных форм движения и взаимодействия вещества и поля, как и средства ее получения, являются определяющим фактором развития материальной культуры общества. Повсюду в мире уровень жизни людей пропорционален потреблению энергии в коммунально-бытовых и промышленных нуждах, составляющих сегодня в развитых странах до 10 и более КВт установленной мощности на каждого жителя. Это в сотню раз превышает физические возможности организма отдельного человека, а по суммарным затратам на обеспечение потребностей в энергии во всех ее формах для этих стран сопоставимо с половиной их бюджета.

Дешевое и безопасное извлечение, передача, преобразование и использование энергии в необходимых потребителю объемах и форме представляет главную задачу энергетики как сферы технико-экономической и научной деятельности человека, хотя сами термины “энергия” и “энергетика”, происходящие от греч. “” - деятельность и “” - деятельный, активный, охватывают также соответствующие природные процессы, а в переносном смысле означают способность к деятельности вообще и решительность, настойчивость в ее осуществлении. Эти последние аспекты представляют самостоятельную проблему и рассматриваются в соответствующих разделах других наук. Энергетическая наука в широком смысле изучает происходящие явления как энергообменные процессы, то есть, выделяя, прежде всего, их энергетический эквивалент. В более узком прикладном (техническом) значении она занимается исследованием и разработкой новых методов и технических средств энергообеспечения, созданием новых и совершенствованием существующих энергетических технологий, энергопроизводящего, энергопередающего и энергораспределительного оборудования, формированием концепции их развития и оптимального управления, решением комплексных проблем (В.А. Кирилин [1], М.А. Стырикович, Э.Э. Шпильрайн [2]).

По отношению к конечному потребителю энергетику можно подразделить на “внутреннюю”, обеспечивающую функционирование (жизнедеятельность) собственного организма или внутренние нужды технического устройства, и “внешнюю”, изменяющую материальный облик окружающей среды. Последняя может рассматриваться локально (в масштабах района обитания) и глобально (в планетарном или даже космическом масштабах). Однако такое деление достаточно условно. Как и во всякой сложной системе, между выделенными иерархическими уровнями существуют многочисленные прямые и обратные взаимосвязи, которые устанавливаются наиболее общими (фундаментальными) законами природы и частными (прикладными) их следствиями в конкретных условиях.

Современная “внешняя” энергетика, снабжающая потребителей электричеством и теплотой, базируется на фундаментальных и прикладных достижениях науки Х1Х и ХХ веков, прежде всего, в области термо- и электродинамики, гидроаэродинамики, механики, теплообмена, атомной физики, химии, материаловедения, синтезируя их в природно-технических комплексах централизованного и автономного энергообеспечения различного масштаба.

К числу фундаментальных закономерностей, установленных наукой для процессов энергообмена, относятся закон сохранения энергии и закон возрастания энтропии. Первый закон предсказывает неизбежность глобального кризиса в получении энергии от невозобновляемых источников, как это преимущественно делается сейчас в отношении органических топлив, многомиллионнолетние запасы которых будут рано или поздно исчерпаны. Второй закон ограничивает возможности полезного использования любых, даже возобновляемых энергетических ресурсов из-за необратимого перехода части потребляемой энергии в теплоту, в конечном итоге безвозвратно излучаемую в космическое пространство при температуре окружающей среды. Оба эти закона определяют генеральные направления развития энергетики, утверждая невозможность получения энергии “даром”. Прежде всего, невозможность преодоления энергетического кризиса путем создания “перпетуум-мобиле” - вечных двигателей, производящих работу из ничего (вечных двигателей 1-го рода) или использующих теплоту, рассеянную в окружающей среде (вечных двигателей 2-го рода), а также невозможность создания абсолютно экологически чистых, ничего не сбрасывающих в окружающую среду энергетических технологий. Этим связываются в единый узел проблемы обеспечения высокого уровня цивилизованной жизни для постоянно растущего (с темпом ~1,5-2% в год) населения Земли, проблемы развития энергетики и экологические проблемы предотвращения загрязнения окружающей среды.

Общим отражением этих проблем являются созданные во многих странах большие системы централизованного энергообеспечения, в том числе Единая Энергетическая Система России. Она технологически объединяет посредством электрических сетей свыше 200 млн. КВт (~94%) установленной мощности тепловых (ТЭС), атомных (АЭС) и гидравлических (ГЭС) станций. Их доли в общей выработке электричества приблизительно соотносятся как 7:1:2, указывая на преимущественную роль установок с тепломеханическим преобразованием энергии, которые также обеспечивают централизованную выработку по когенеративной схеме около половины потребляемой в стране теплоты, дополняя работу отопительных котельных и промышленных печей. Устойчивый приоритет тепловых энергоустановок, особенно с паротурбинными агрегатами в тепломеханической части цикла ТЭС и АЭС, обусловливается хорошими теплофизическими, экологическими и эксплуатационными качествами рабочего тела, высокой плотностью энергетических потоков и относительно большим коэффициентом полезного действия. Последние показатели ограничиваются соответственно предельным значением вектора Умова-Пойнтинга для плотности потока энергии (пропорциональным произведению энергонапряженности созданных деформаций на скорость их распространения в данной материальной среде) и термическим КПД для идеального цикла Карно (пропорциональным разности температур горячего и холодного источников теплоты). Эти ограничения, в конечном счете, определяют возможную предельную мощность единичных агрегатов, их габариты и массу, срок службы, стоимость сооружения и эффективность эксплуатации, оставляя пока неконкурентоспособными известные альтернативные методы и средства производства энергии больших мощностей. Так, согласно оценкам (П.Л.Капица, [3]), подобные ограничения вынуждают отказываться от ряда весьма экономичных процессов преобразования энергии с КПД на уровне 70 – 80%, но идущих с низкой скоростью при малой плотности потока энергии порядка 100 - 200 Вт/м² (электростатические генераторы, биосистемы, топливные элементы), оставляя их в области малой и средней энергетики, и применять менее экономичные, но высокомощные тепловые турбоустановки, средняя плотность потоков энергии в которых достигает 1 - 10 Мвт/м² при цикловом КПД порядка 30 - 40%.

В соответствии с этим ведущей тенденцией развития централизованной энергетики до последнего времени являлась концентрация энергопроизводства на крупных электростанциях путем интенсификации рабочих процессов, повышения начальных параметров рабочего тела, увеличения единичной мощности агрегатов и объединения самих электростанций в большие энергосистемы [4]. Так, единичные мощности энергетических агрегатов достигли уровня 1000 – 1200 МВт, что сопоставимо с мощностью тропических ураганов. Удельное потребление условного топлива на крупных ТЭС составляет около 330 – 340 г / (Квтч), причем последние на две трети используют более калорийное и самое чистое органическое топливо - газ. Мощности АЭС и ГЭС создают дешевую базисную электроэнергию. Эти тенденции были обусловлены естественным стремлением к экономии суммарных затрат на капитальные вложения, топливо и эксплуатацию в условиях растущего производства электроэнергии и необходимости его постоянного соответствия колеблющемуся потреблению, связанному с биологическими и социальными ритмами жизнедеятельности человека (суточными, недельными и сезонными). Достигнутые на этом направлении технико-экономические показатели отечественной энергетики достаточно высоки и в целом соответствуют мировым, а в ряде случаев превышают их [5].

Вместе с тем, созданный энергетический потенциал нуждается в модернизации и новом подъеме. Это проявляется в усложняющихся условиях длительной эксплуатации, вызываемых физическим износом и моральным старением оборудования при отсутствии ввода новых генерирующих мощностей, возрастающей неравномерности электрических и тепловых нагрузок потребителей, ухудшении экологических режимов из-за снижения качества потребляемых ресурсов и ужесточения требований к защите окружающей среды от вредных выбросов самих электростанций, процессы производства энергии на которых связаны с глубоким вмешательством в структуру вещества, его превращением, распадом и синтезом.

Особой проблемой является повышение эффективности (КПД) преобразования энергии первичных источников, прежде всего, применительно к использованию ископаемых топлив на тепловых электростанциях, являющихся ключевым и вместе с тем наиболее сложным сектором энергетики. Хотя само преобразование первичной энергии в теплоту на них осуществляется с высоким КПД (для крупных котлов выше 90%), дальнейшее преобразование теплоты в работу сегодня происходит с КПД не более 40 - 42% вследствие ограничений, налагаемых, прежде всего, вторым законом термодинамики. Фактические показатели по экономичности, освоенным параметрам рабочего тела и единичным мощностям остаются ниже прогнозировавшихся и указывают на существование определенных термодинамических границ укрупнения установок, отвечающих минимуму потерь энергии при ее трансформации из одной формы в другую, устойчивости работы при изменении нагрузки, требованиям по надежности и сроку службы.

Значительное отставание достигнутого уровня эффективности реальных теплосиловых установок от идеальных показателей энергетической машины Карно (по КПД в 1.5 - 2 раза) пока не нашло исчерпывающего термодинамического объяснения. Обычно оно расценивается как имеющиеся резервы повышения экономичности не только путем повышения начальных параметров рабочего тела, прежде всего, его температуры с неизбежными ограничениями по условиям жаростойкости конструкционных материалов, но также за счет приближения конфигурации применяемого на электростанциях теплового цикла Ренкина к циклу Карно с помощью таких средств как совершенствование системы регенерации теплоты, введение многократного перегрева пара, использование бинарных схем рабочего тела. Работы по этим направлениям продолжаются.

Большой интерес в этом плане представляет оценка предельных возможностей интенсификации процессов скоростного преобразования энергии и определения границ оптимального соотношения величин удельной выходной мощности и эффективности рабочих процессов, обеспечения их термодинамической устойчивости и условий регулирования. Такие задачи не могут быть решены в рамках классической равновесной термодинамики, рассматривающей обратимые "статические" процессы производства работы при нулевой выходной мощности. Они требуют учета кинетических и динамических характеристик протекания процессов переноса и трансформации потоков энергии большой плотности. Исследование этих задач [6] на основе развития современных методов неравновесной термодинамики позволили не только теоретически объяснить наблюдаемую в инженерной практике закономерность “fifty-fifty” (50% на 50%) в сочетании “полезных” и “вредных” потоков энергии как своеобразную плату (“налог на мощность”) для крупных машин, характеризующую приведенные выше показатели КПД и удельной выходной мощности [7], но установить и обосновать экстремальный характер их взаимосвязи, выявить условия и режимы, отвечающие максимальным значениям отдельных показателей, выделить область их оптимального сочетания и определить оптимальные уровни неравновесности системы по условиям получения максимальной мощности или экономичности преобразования энергии. Как видно из представленных результатов (рис.1), режим максимальной экономичности и режим максимальной мощности близки друг к другу только для малоэффективных установок низкой добротности. С повышением качества (добротности) установки эти режимы все больше расходятся, ограничивая область рационального проектирования и эксплуатации энергетических агрегатов. Так, на режиме максимальной мощности КПД системы не может превысить 50% от предельного значения, а на режиме максимальной экономичности может приблизиться к 100% как к пределу при обратимом равновесии, но при этом выходная мощность стремится к нулю. Этим режимам отвечают разные уровни неравновесности системы и соответствующей внешней нагрузки, как и режимам холостого хода (бесконечно большой нагрузки) и короткого замыкания (нулевой нагрузки), требующим, несмотря на нулевой КПД и нулевую выходную мощность, определенных затрат энергии для поддержания соответственно максимальной выходной силы или максимального выходного потока.

Исходя из принципа минимума диссипации энергии во времени (эквивалентного принципу минимума генерации энтропии И.Пригожина для стационарных процессов), по-новому формулируются условия устойчивости неравновесных термодинамических систем, позволяющие исследовать самоорганизацию процессов преобразования энергии при изменении нагрузки, выявить области неустойчивости, определить их границы, амплитудно-фазовые и частотные характеристики, получить термодинамические выражения траекторий перехода из одного режима в другой, оценить влияние масштаба неравновесности системы на эти показатели [6]. Так, возможности приспособления к работе в широком диапазоне мощностей для обычно применяемых схем последовательно-параллельного регулирования крупных энергоустановок характеризуются проявлением на внешние изменения нагрузки преимущественно линейных реакций как оптимальных для обеспечения внутренней устойчивости протекающих процессов даже при их периодических детерминированных или случайных (хаотических) возмущениях. Однако при наличии противофазной обратной связи между входными и выходными энергопотоками в ряде случаев могут возникать уже не связанные с внешними возмущениями энергетически более выгодные области самоподдерживающихся внутренне нестационарных колебаний сопряженных потоков и сил, характерные для поведения систем с сильно нелинейными свойствами, при жестком или мягком развитии самовозбуждения в зависимости от величины обратной связи и степени нелинейности свойств. Знание этих характеристик во многом определяет решение проблем безопасности и надежности эксплуатации современных и перспективных энергетических установок, в том числе плазменных, термоядерных, импульсных и др. (Г.А.Месяц [8], В.Е.Фортов [9], Е.П.Велихов, В.А.Глухих [10] и др.).

Следует отметить большую общность термодинамических методов и полученных на их основе результатов по интегральным характеристикам протекающих процессов преобразования энергии независимо от индивидуальных физических механизмов их осуществления. Приложениями этих результатов может быть диагностика и прогнозирование поведения не только энерготехнических систем и процессов, но и других неравновесных объектов, вплоть до исследования синергетических эффектов самоорганизации сложных многокомпонентных и многофазных физических систем с диссипативными структурами различного рода и с детерминированным и динамическим хаосом [11].

Подобным образом нуждается в уточнении и понимание уравнений Максвелла - фундаментальных уравнений классической электродинамики, описывающих электромагнитные процессы в любой произвольной среде. Они сформулированы на основе обобщения эмпирических законов Ш.Кулона и А.Ампера для электрических и магнитных явлений и развития идей М.Фарадея и Э.Х.Ленца об электромагнитном поле и электромагнитных волнах при относительно небольших частотах, когда несущественны квантовые эффекты. Впоследствии трудами Г.Герца, О.Хевисайда, Г.Лоренца, А.Эйнштейна и других были разработаны варианты этих уравнений, отличающиеся по характеру учитываемых свойств электромагнитного поля вплоть до частот, когда проявляются квантовые эффекты или когда при сложных граничных условиях вблизи зарядов и проводящих поверхностей наряду с поперечными колебаниями возбуждаются также и продольные электромагнитные волны (Л.Д.Ландау, Е.М.Лившиц, [12]). Двойственный ("дуальный") характер проявления электромагнитного поля в виде потока дискретных частиц-квантов (фотоэффект) и в виде волн (дифракция и интерференция), а также попытки создания адекватных математических моделей послужили причиной развития новых физических концепций. В их числе вероятностно-статистические распределения множества частиц (вероятностных волн) в едином пространственно-временном континууме, а также механизмы взаимодействия элементарных электрических зарядов с полем тяготения (Н.Бор, Л-де Бройль, Э.Шредингер, П.Дирак, М.Борн, Мак-Геллан и др.).

Вместе с тем разделение различных теоретических моделей для электротехнических приложений носит достаточно относительный характер, обусловленный лишь преимущественно используемыми свойствами электромагнитных процессов. Так, в сильноточных энергетических установках используется энергия электромагнитного поля в условиях возможности пренебрежения излучением, в радиотехнике главное значение имеет именно излучательная способность, в электронно-информационных устройствах первостепенную роль играет преобразование передаваемых с помощью электромагнитного поля порций энергии. Однако во всех случаях основной задачей электроэнергетики является управление электромагнитными процессами независимо от мощности энергетических потоков и масштаба возникающих эффектов.

В последнее время предпринята попытка использования четырехмерной модели пространственно-временной среды и положений общей теории относительности для уточнения динамических уравнений линейной теории упругости [13]. В результате появляется новая, дополнительная к объемной, компонента тензора деформаций расширения-сжатия вещества, во многом аналогичная тепловой (энтропийной) деформации, меняются условия динамической прочности материала, обнаруживается ряд других неожиданных результатов. На базе этой модели приводятся к единой форме уравнения упругости, гравитации и электродинамики, выявляются условия и характеристики генерации продольных и поперечных волн, оцениваются скоростные и фазовые характеристики их распространения, а также влияние масштабов возмущения среды как твердого тела, жидкости и газа.

В энергетическом плане фундаментальные физические основы подобных масштабных эффектов связаны с усилением роли перекрестных явлений и нелинейностей при интенсификации процессов переноса различных видов энергии в сугубо неравновесной системе “источник энергии - преобразователь - рабочее тело - преобразователь - полезная нагрузка”, какой является энергетическая установка в целом, вплоть до возбуждения побочных степеней свободы для различного вида “потерь”, которые рассеиваются в конструкционных материалах и окружающей среде, вызывая внутреннюю неустойчивость рабочих процессов, ускоренный износ, повреждения и аварии оборудования.

Частичным экономическим отражением этих, далеко неосознанных системных факторов можно считать последовавшее снижение заказов на новые крупные машины и перенос внимания многих мировых производителей на проблемы увеличения эксплуатационной экономичности, маневренности, надежности и долговечности ранее выпущенных и реконструируемых установок, улучшение качества их обслуживания, более широкое применение автоматизации для управления переменными режимами работы, диагностики и прогнозирования технического состояния.

В связи с этим немало нерешенных задач остается в прикладных разделах энергетической науки, например в такой, казалось бы, традиционной области как конструирование тепло- и электрогенераторов, турбомашин, тепловых и электрических сетей, теплообменников, трансформаторов, распределительных и регулирующих устройств, уже ставших почти совершенными техническими устройствами (рис.2). Требуются новые, более эффективные установки с учетом радикально новых факторов и требований.

Так, применение для преобразования тепловой энергии в паровых турбинах лопаток с переменной степенью реактивности и систем принудительного (активного) охлаждения роторов позволяет на 1 - 3% повысить КПД и увеличить в 1,5 - 2,5 раза срок службы действующих агрегатов одновременно с улучшением их маневренности, дает возможность дальнейшего подъема начальной температуры пара с целью повышения эффективности перспективных установок [14]. В числе можно назвать создание мощных энергоустановок ТЭС на суперсверхкритические параметры (600 – 650⁰ С, 300 - 350 атм), внедрение парогазовых установок ПГУ с КПД до 55 – 60% и снижением вредных выбросов в окружающую среду, развитие блоков АЭС с реакторами-размножителями на быстрых нейтронах, освоение термоядерной и импульсной энергетики, увеличение использования возобновляемых источников и др.

Для совершенствования извлечения химической энергии первичного топлива предложены новые технологии беспламенного сжигания угля (Волков Э.П.,[15]). Представляется перспективным создание установок, основанных на использовании интегрированных комбинированных циклов газификации угля (IGCC) с внедрением новых типов катализаторов. Это обеспечивает существенное снижение эмиссии NO_x и SO_x, а также возможность получения водорода для последующего использования как дополнительного источника первичной энергии, например, в топливных элементах со снижением также выбросов СО₂. В последнее время достигнуты определенные успехи в технологии "дизелизации" твердого топлива, то есть получения из угля и древесины аналогов жидкого топлива с применением СВЧ-излучения (Диденко А.Н., [16]).

В области электротехнических технологий важным направлением является внедрение "теплых" сверхпроводников в электрогенераторах для снижения потерь преобразования энергии и уменьшения массогабаритных показателей. В системах передачи энергии [17} представляется целесообразным ведения поиска для повышения эффективности трансформаторов путем внедрения новых высокоэнергетических магнитов и аморфных сталей в качестве активных и конструктивных материалов, утилизации "бросового" тепла в трансформаторах с повышенной единичной мощности. Новым направлением является создание соответствующих устройств силовой электроники в энергосистемах, что позволяет обеспечить возможность работать на пределе термической устойчивости. Повышение КПД на один-два пункта может быть достигнуто при замене асинхронных двигателей на синхронные с возбуждением от постоянных магнитов.

Общая эффективность теплоэнергетических установок даже при высоком электрическом КПД связана со способом замыкания конечного теплового цикла, обычно предусматривающего либо непосредственный сброс теплоты отработавшего рабочего тела в окружающую среду с помощью специальных конденсационных установок, либо использование этой низкопотенциальной теплоты на нужды отопления и горячего водоснабжения. При небольшой мощности установки и подходящем соотношении цен на исходное топливо и продаваемую электроэнергию представляется целесообразным применение для этих целей тепловых насосов, работающих по обратному тепловому циклу, то есть дополнительно охлаждающих рабочее тело (повышая тем самым эффективность прямого цикла) и передающим его тепло (или тепло окружающей среды) на более высокий температурный уровень (тепловой потенциал) со значительным увеличением его количества. Помимо традиционных конструкций здесь могут использоваться оригинальные технические решения, например, схемы, объединяющие прямой (энергетический) и обратный (теплонасосный) циклы в двойной тепловой цикл (Ренкина, Брайтона, Стирлинга и др. в зависимости от применяемых рабочих тел и конфигурации оборудования). Такие комбинации особенно интересны, когда в обоих контурах используется одинаковое (одно и то же) и даже единое рабочее тело в прямой и обратной части цикла [18].

Влияние неучтенных и малоизученных тепловых эффектов на окружающую среду весьма существенно проявляется также и при эксплуатации крупных ГЭС, каскадная работа которых на полноводных реках сопровождается достаточно ощутимым для местного климата снижением температуры воды, пропускаемой через турбины (около 0,25⁰С на каждые 100 м перепада высоты, [19]).

Решение фундаментальных и прикладных задач, стоящих перед энергетической наукой как системой знаний о свойствах и взаимодействиях энергетических потоков и их влиянии на человеческое общество и природу в техническом, социальном и экономическом планах, нацеленное на обеспечение энергетической безопасности и подъем экономики страны, требует разработки новых технологий на основе фундаментальных и прикладных исследований, а также больших затрат на их реализацию. Для сравнения, на программу модернизации энергетики США предполагается выделить средства из федерального бюджета порядка 43 млрд. долларов в год до 2015 года. Эффективность преобразования энергии первичного топлива намечается довести от 35-40% до 70-80% при одновременном снижении затрат на производство электроэнергии на 10-25% и уменьшении вредных выбросов в окружающую среду.

Достичь таких показателей на практике возможно за счет создания многотопливных “гибридных” систем комбинированного цикла и повышения согласованности всех звеньев технологической цепи преобразования энергии – от извлечения первичного энергоисточника до системы переработки отработанного топлива.

Современной тенденцией следует считать широкое использование систем децентрализованной (автономной) энергетики (distributed generation), которая может основываться как на возобновляемых источниках (вода, ветер, солнце, биотопливо), так и невозобновляемых (газ, угль, дизельное топливо) и которые могут использоваться как для автономного снабжения удаленных и местных потребителей энергии с применением буферных накопителей, так и в качестве источников бесперебойного (аварийного) энергоснабжения 20,21.

Гарантированное бесперебойное снабжение потребителей электричеством и теплотой остается главной задачей развития отечественной и мировой энергетики, представляя основу для устойчивого экономического роста и энергетической безопасности стран и отдельных их регионов [1,2].

Традиционные направления концентрации энергопроизводства на крупных тепловых (ТЭС), атомных (АЭС) и гидравлических (ГЭС) электростанциях связаны с интенсификацией процессов переноса и преобразования различных видов энергии, повышением начальных параметров рабочего тела, увеличением единичной мощности агрегатов при все большей централизации энергоснабжения и удалении мест производства от потребления. Эти направления сложились как результат естественного стремления к экономии суммарных затрат на начальные вложения, топливо и эксплуатацию в условиях роста общего объема выработки электроэнергии и необходимости его постоянного соответствия неравномерному колеблющемуся потреблению, связанному в значительной степени с биологическими и социальными ритмами жизнедеятельности человека (суточными, недельными и сезонными).

Существующие технические решения ориентируются главным образом на наличие единых электрических сетей большой мощности и работу энергетических установок в общей энергосистеме по директивным диспетчерским графикам нагрузок, регулирующим распределение мощностей между генерирующим оборудованием и использование имеющихся его резервов для покрытия неравномерности потребления энергии. Сюда относится и так называемая бытовая энергия, используемая в жилищно-коммунальном хозяйстве на освещение, отопление, связь, мощности установок которой измеряются киловаттами, так и промышленная энергия больших мощностей, используемая в металлургии, химии, железнодорожном транспорте, в машиностроении, строительстве, крупном сельском хозяйстве, мощности установок которой исчисляются мегаваттами. В целом это повышает технико-экономические показатели централизованного энергоснабжения, одновременно вынуждая применять жесткие меры по обеспечению устойчивости больших энергосистем вплоть до принудительного отключения отдельных потребителей в кризисных ситуациях, усугубляющихся в условиях экономической нестабильности в связи с выработкой рабочего ресурса у значительной части парка установленного оборудования, недостаточностью создаваемых сезонных запасов топлива, экологическими проблемами усиливающегося загрязнения окружающей среды и т. д. [1,2]. На существование оптимальных границ укрупнения энергопроизводства указывает и ряд других физических факторов, в частности, экстремальный характер взаимосвязи коэффициента полезного действия и удельной выходной мощности оборудования при увеличении плотности потоков энергии [3], снижение надежности и рост числа отказов при разветвлении периферийных участков сети [4].

Восполнить отсутствие централизованного энергоснабжения, в том числе в отдаленных, труднодоступных или экономически невыгодных районах (стоимость строительства и оборудования централизованной линии электропередач (ЛЭП) составляет 15 – 25 тыс. долларов/км в зависимости от географических условий [4] ), прежде всего для Крайнего Севера, Дальнего Востока, Восточной Сибири, фермерских хозяйств, садоводческих участков и местных производств Европейской части России, в совокупности составляющих более половины территории страны, где проживает более 20% населения, призваны автономные энергетические установки малой и средней мощности (АСЭ), использующие различные источники и технологии выработки энергии. Для установок малой и средней мощности на ископаемом топливе характерны относительно небольшие капитальные затраты (200 – 300 долл/кВт), а для установок на возобновляемых источниках энергии требуются достаточно большие капитальные вложения (от 1000 до 10000 долл/кВт и более) при низких эксплуатационных издержках и отсутствии топливной составляющей [2,4,5].

При выборе оптимального типа генерирующего оборудования для автономного энергообеспечения стационарных потребителей требуются бездефицитность, низкая стоимость энергетических ресурсов и экологическая чистота. Этому в наибольшей степени удовлетворяют возобновляемые источники энергии окружающей среды, прежде всего ветра и воды [10], характеризующиеся, однако, большой нестабильностью и малой плотностью энергетических потоков - порядка 100 – 200 Вт/м² при возможном удельном среднегодовом съеме в свободных безнапорных течениях около 800 – 1500 кВт ч/м² полезной энергии [5].

Наибольшую техническую трудность автономного энергоснабжения, наряду с чисто экономическими аспектами, представляет увязка меняющихся мощностей производства и потребления энергии, особенно в пиковых режимах, существенно зависящих от наличия резервных источников, технических возможностей оборудования и требований потребителей. В совокупности эти факторы значительно ограничивают эффективность работы существующих дизельных электростанций (ДЭС), малых ГЭС, ветроустановок (ВЭС), солнечных генераторов и т.п., препятствуя их широкому коммерческому применению и одновременно стимулируя поиск новых технических решений.

К числу других важнейших задач разработки автономных энергоустановок относится решение проблемы стабильного съема энергетических потоков малой плотности от источников окружающей среды в широком диапазоне её напоров, скоростей и расходов; высококачественного преобразования полученной энергии под заданные характеристики электрических и тепловых нагрузок; возможность подключения существующего энергогенерирующего оборудования традиционного типа, а также объединения различных видов установок в локальные сети с суммированием мощностей при снижении затрат на их создание, обслуживание и эксплуатацию.

Концепция решения задачи. Основой концепции решения перечисленных задач по созданию предлагаемых конкурентоспособных установок автономного энергоснабжения является принцип системности, утверждающий в качестве главного технологического звена энергопроизводства энергетическую систему, объединяющую независимо от ее масштаба комплекс генерирующего оборудования, энергосеть, средства оперативно-диспетчерского управления и нагрузки потребителя.

При небольших масштабах, характерных для автономных систем, решение проблемы увязки меняющихся мощностей энергопроизводства (например, на нестабильных возобновляемых источниках) и энергопотребления, колеблющегося в зависимости от нужд потребителя, может осуществляться не за счёт подключения специально создаваемого резерва генерирующего оборудования, как это традиционно делается по примеру большой энергетики и нерентабельно для малой, а путем буферного промежуточного накопления полезной энергии на базовых (и ниже) режимах потребления мощности в количестве, достаточном для последующего покрытия пиковых нагрузок согласно требованиям потребителя.

Буферное накопление энергии и управление работой системы. В качестве промежуточного (буферного) накопителя для энергосистем малой и средней мощности могут быть применены электрические аккумуляторные батареи [6], постоянно подключенные к потребителю параллельно с генерирующим источником через выпрямитель–стабилизатор на входе и инвертор-преобразователь на выходе (рис. 1).

Буферное включение накопителя в отличие от обычно применяемого циклического аккумулирования позволяет осуществить автоматическое оперативное управление процессами зарядки и разрядки в зависимости от меняющихся условий на входе и выходе накопителя по параметрам его внутреннего сопротивления и, тем самым, выполнить основную функцию системы по непрерывному обеспечению баланса поступающей, аккумулируемой и потребляемой энергии даже при низких мощностях генерирующего оборудования, на порядок меньших, чем требуемые потребителю в пиковых режимах.

Необходимая для этого энергоемкость накопителя определяется из баланса графиков суточного (или другого заданного) поступления и потребления энергии в их наиболее неблагоприятном вероятностном сочетании (рис. 2) с учетом допустимых величин глубины разряда и избыточного заряда аккумулятора по его вольт -амперным характеристикам, а также с учетом скорости протекающих при этом физико-химических процессов заряда-разряда согласно кинетическим кривым (рис.3). Эквивалентная электрическая схема расчетного замещения буферного накопителя в составе автономной системы энергоснабжения (АСЭ), отражающая основные закономерности этих процессов, представлена на рис.4 на основе известной электрохимической схемы системы «электрод – электролит» [7].

Предусмотренное разделение генерирующего оборудования и потребителей переменного тока по частоте и фазе буферной вставкой накопителя, работающего на постоянном токе (с соответствующими преобразователями-инверторами на входе и выходе), обеспечивает устойчивость системы, автоматически решая задачи поддержания частоты и уровня выходного напряжения, регулирования активных и реактивных мощностей, исключения асинхронных режимов, а также снабжения потребителя при необходимости постоянным током непосредственно от накопителя. Одновременно такая развязка позволяет подключать различные типы оборудования, работающего на традиционных и нетрадиционных источниках, а также объединять различные виды установок в локальные сети с суммированием их мощностей, образуя комбинированные, или по зарубежной терминологии гибридные системы, выполнять другие системообразующие функции без дополнительного регулирования генерирующих источников и нагрузок потребителей. в частности, поскольку длительная работа системы в буферном режиме возможна только при соответствии среднеинтегральных мощностей генератора и потребителя (с учетов КПД аккумулятора и других элементов схемы), то для бесперебойного электроснабжения может предусматриваться возможность одновременной работы генерирующего оборудования от различных источников. При этом энергия каждого источника в отдельности преобразуется в электрическую энергию переменного тока с помощью генератора, а затем в электроэнергию постоянного тока и при заданном напряжении заряда аккумуляторов преобразованная от всех источников суммарная электроэнергия постоянного тока аккумулируется в накопителе, имеющем емкость не менее расчетной величины, необходимой для режима пикового потребления. При низком потреблении энергии на внешней нагрузке, за счет поддержания величины напряжения зарядки аккумулятора в диапазоне между минимальным и максимальным значением напряжений на нагрузке, происходит изменение величины емкостного сопротивления аккумулятора и величины зарядного тока. Это обеспечивает регулирование режима работы генератора самим аккумулятором, который одновременно с накоплением энергии выполняет и функции его динамической нагрузки. Одновременно с зарядкой аккумулятора от работающих первичных источников осуществляется питание инверторов и через них - электроснабжение потребителей переменным током стандартной частоты и напряжения. При возрастании потребления на внешней нагрузке в пиковых режимах либо при перерывах работы первичных генераторов автоматически осуществляется дополнительное питание потребителей за счет накопленной в аккумуляторе энергии с автоматической защитой от разряда по входным цепям через выпрямитель – стабилизатор.

Выбор конкретного типа аккумуляторных батарей для указанных целей наряду с перечисленными факторами во многом определяется условиями эксплуатации, требованиями к обслуживанию, стоимостными показателями. Широкими возможностями в этом плане обладают аккумуляторные батареи с невытекающим гелевым электролитом, допускающие длительную работу в буферном режиме и имеющие приемлемые технико-экономические характеристики. В том числе: срок службы от 15 до 18 лет (в зависимости от серии); необслуживаемость в течение всего срока службы; емкость в единичном корпусе от 6,5 до 3000 Ач; напряжение в единичном корпусе от 2 до 12 В; малый саморазряд; допустимость избыточного заряда и глубокого разряда; способность быстрого восстановления емкости; температурный диапазон от – 50^о С до +50^о С.

Генерирующее оборудование. В отмеченных условиях, когда управляющие функции поддержания частоты и напряжения в сети потребителя с общей увязкой поступающей и потребляемой мощности обеспечиваются электронными компонентами АСЭ, а не генерирующим оборудованием, для решения задач гарантированного съема энергии от нестабильных низкопотенциальных источников окружающей среды целесообразно применить безнапорные свободнопоточные турбоприводы с универсальной проточной частью противоразгонного диаметрального типа, не требующие механического регулирования и допускающие работу как в воздушной, так и в водной средах в широком диапазоне изменения их параметров без существенного снижения энергетической эффективности (рис.5). Соответственно, наиболее подходящим типом электрогенератора становятся вентильные многофазные генераторы на постоянных магнитах в дисковом или роторном исполнении, не требующие традиционной синхронизации и управления возбуждением и работающие начиная с малых оборотов.

В совокупности это значительно упрощает конструкцию, монтаж и обслуживание автономных электроустановок, а предусмотренное модульно-контейнерное исполнение этих компонентов позволяет легко наращивать мощность (табл.1).

Наряду со специально разработанными ветро- и гидрогенераторами в составе автономных энергосистем с буферным аккумулированием могут быть применены и другие виды генерирующего оборудования, в том числе солнечные батареи, существующие микро – и малые ГЭС, ветроустановки, обычно требующие связи с большими энергосистемами. При этом их мощность в составе такой энергосистемы, может быть на порядок меньше, чем пиковые нагрузки потребителя. Подключение к АСЭ существующих автономных энергоустановок на традиционных невозобновляемых источниках (уголь, нефть, газ) позволяет значительно повысить КПД их использования с экономией привозного топлива.

Так, согласно [5] она может составить от 15 до 40% годового потребления, например, при параллельной работе ветро– и дизель генераторов, не требуя в данном случае выполнения обычного для таких комбинаций правила двойного, по крайней мере, превышения мощности дизеля над мощностью ветроустановки, либо подключения к ней дополнительной «балластной» нагрузки с соответствующей системой управления. Примерно аналогичная экономия топлива может обеспечиваться при подключении АСЭ с буферным аккумулированием к слабым энергосистемам за счет «вытеснения» части мощности последних на величину гарантированного минимума среднеинтегральной мощности, генерируемой возобновляемыми источниками окружающей среды.

Для снабжения потребителей не только электричеством, но и теплотой, могут использоваться как специальные теплогенераторы в составе АСЭ, так и стыковка АСЭ с существующими котельными установками.

В качестве специализированных теплогенерирующих установок для автономных энергосистем с возобновляемыми источниками энергии перспективны тепловые насосы (парокомпрессорного, абсорбционного, полупроводникового или других типов [8]), превращающие низкопотенциальную теплоту окружающей среды в теплоту более высокого потенциала, в данном случае за счет энергии движения самой окружающей среды, в частности, воздуха и воды. Последняя предварительно преобразуется в электрическую (как это представлено выше) и используется для привода теплового насоса без сжигания ископаемого топлива. При этом возможно многократное умножение количества теплоты, перебрасываемой на более высокий температурный уровень, по сравнению с теплотой, которую можно было бы получить, если всю механическую или электрическую энергию, расходуемую на привод насоса, непосредственно преобразовать в тепловую, например, в электрокотле. Величина коэффициента умножения (т.н. коэффициента тепловой эффективности), равная обратному значению КПД прямого теплосилового цикла, то есть цикла преобразования теплоты с начальной более высокой температурой в механическую энергию при температуре окружающей среды, в полном соответствии с законами термодинамики может существенно превысить 100% и будет тем выше, чем меньше разность температурных уровней переноса. Это противоположно требованиям, которые установлены для увеличения термического КПД тепловых двигателей и практически означает, что при заданной конечной температуре обогрева для достижения высокой эффективности теплонасосных установок нужно стремиться выбирать не слишком холодный источник низкотемпературного тепла. В качестве такового могут использоваться атмосферный воздух или окружающие водоемы в районах с мягким климатом, а также грунтовые и геотермальные воды, вторичные теплоносители местного промышленного и сельскохозяйственного производства в более северных районах. Тепловые насосы универсальны и в любое время года могут выполнять функции кондиционера, охлаждая жилье и производственные помещения.

В альтернативном варианте стыковки рассматриваемой системы с существующими котельными установками малой и средней мощности обеспечивается существенное расширение эксплуатационных возможностей последних, вплоть до придания им функций локальных мини-ТЭЦ с целью оптимального использования вырабатываемого энергоносителя не только на обеспечение отопительных и технологических нужд потребителей, но и на производство товарной электроэнергии для снабжения внешних потребителей и покрытия собственных нужд в электроэнергии. Это значительно повышает общую эффективность теплового цикла и использования топлива на котельных, снижает себестоимость продукции и при определенных условиях обеспечивает полную независимость комбинированного тепло- и электроснабжения потребителя, удаленного от централизованных сетей, включая полностью автономный запуск установки из любого состояния, в том числе в зимнее время, без привлечения дополнительных энергоресурсов, а также поддержание экономичного базисного режима работы генерирующего оборудования в широком диапазоне изменения его нагрузок, включая пиковые.

Применительно к паровым котельным эта задача решается за счет дополнительной установки в их технологической схеме специальных турбоагрегатов вместо обычно существующих редукционных устройств, в которых параметры генерируемого на котле пара понижаются до требуемых у потребителя. Последнее связано с тем, что такие котельные, как правило, оснащаются котлами типа ДЕ или ДКВР производительностью от 5 до 50 тонн в час насыщенного или слабо перегретого пара давлением от 12 до 14 атмосфер. В то же время, потребителям тепловой энергии в системах теплофикации или промышленных технологий обычно требуется пар более низких параметров - от 4-6 до 1,2-1,7 атмосфер. Замена редукционных устройств специальными паротурбинными агрегатами позволяет использовать дросселируемый перепад давлений на выработку полезной мощности, с избытком покрывающей не только собственные нужды теплопроизводства, обычно составляющие около 9-12 процентов тепловой нагрузки котла, но и товарного производства электроэнергии до 100-2000 кВт на агрегат. В качестве таких установок могут применяться как серийно выпускаемые рядом предприятий России (АО Калужский турбинный завод, АООТ Пролетарский завод, АО Кировский завод, АО Невский завод и др.), так и специально разработанные (ЗАО Энерготех, АББ Турбозам и др.)

Котельные, вырабатывающие для отопления горячую воду, должны быть дооборудованы кроме паротурбогенератора еще и парогенератором, который обеспечивает производство пара, необходимого для выработки паротурбогенератором электрической энергии по описанной выше схеме.

В последнее время предложены и более перспективные схемы развития мини - ТЭЦ на основе современных парогазовых технологий [9].

Для выбора наиболее подходящего типа генераторного оборудования необходимо проведение подробного технико-экономического обоснования (ТЭО), учитывающего характерную для условий работы многих котельных значительную неравномерность тепловой нагрузки по временам года и в течении суток (и следовательно, переменность графика нагрузки на турбогенератор), а также необходимые затраты на реконструкцию котельных, преимущественно, в строительной части.

Эффективность использования системы. Область наиболее эффективного применения рассматриваемых АСЭ с буферным накоплением энергии, рассчитанная по совокупности капитальных вложений и эксплуатационных затрат относительно других типов системообразующих установок, представлена на рис.6 в зависимости от требуемой мощности и времени использования. В основу экономического расчета положены приведенные выше стоимостные показатели конкурирующего энергооборудования согласно действующим мировым ценам по данным зарубежных и отечественных источников [2,4,5].

Как видно, при относительно малых мощностях потребляемой энергии и по мере увеличения длительности эксплуатации применение изначально более дорогих АСЭ с буферным накопителем, ориентированных на возобновляемые источники окружающей среды, становится более эффективным, чем использование дизельных электростанций и строительство ЛЭП. Так, экономический эффект от применения АСЭ мощностью 10 кВт в течение 10 лет составляет свыше 2000% по сравнению с затратами на эксплуатацию дизельной электростанции аналогичной мощности за тот же период (без учета дальности поставки топлива), а применение высоковольтных ЛЭП длиной более 3 км при потребляемой мощности менее 75 – 100 кВт вообще не окупается при существующих соотношениях цен на электроэнергию, топливо и оборудование.

Оценки показывают, что объединение автономных потребителей в энергорайон общей мощностью 100 – 200 кВт (на основе 4 кВт модулей типоразмерного ряда) и до 1000 кВт и более (на основе модулей типоразмером в 33 кВт) может привести к снижению удельной стоимости поставляемого оборудования АСЭ.

Эти типоразмеры позволяют удовлетворить практически все требования локальных потребителей (производственные, жилищно-коммунальные и пр.), и в тоже время позволяют унифицировать энергооборудование - от турбоприводов до блоков автономной энергосистемы.

В результате может быть обеспечено сокращение затрат на изготовление и транспортировку оборудования, строительно-монтажные работы, сроки ввода объекта в эксплуатацию, создание линий связи с потребителем и т.п. Ремонтные и профилактические работы на генерирующем оборудовании АСЭ могут проводиться без отключения потребителя. Необходимая продолжительность бесперебойного энергоснабжения в этих и других случаях по требованию потребителя может быть обеспечена за счет установки дополнительных модулей оборудования.

Установки на возобновляемых источниках [22] требуют разработки более дешевых и эффективных ветро-(воздушных) и гидротурбин, работающих преимущественно в свободных потоках окружающей среды, создания солнечных полупроводниковых фотопреобразователей на базе развития современных нанотехнологий [23] , пока достаточно дорогих и маломощных.

Установки на не возобновляемых (ископаемых) источниках топлива строятся с использованием тепловых машин различного типа (ДВС, паровые и газовые турбины), топливных элементов, мини- и микротурбин-генераторов, в том числе из жаростойких керамических материалов. Микротурбины (как правило, малые газовые турбины с КПД 2530%, работающие на сжигании природного газа, попутного газа, пропана и газа других источников) выполняются в виде единого агрегата с генератором воздушного охлаждения и без редуктора. Скорость вращения ротора может находиться в пределах 5000012000 (и даже до 500000 – 800000) об/мин, выход генератора подключается к потребителю через преобразователь частоты.

Преимуществом систем на базе двигателей внутреннего сгорания (internal combustion engine generators) является возможность создания агрегатов на относительно большой диапазон мощностей (от 10 кВт до 10 МВт), обеспечение их работы при частичных нагрузках, простота автоматизации и дистанционного контроля, недостатком - высокий выброс NO_x , относительно малый КПД, повышенный шум в процессе работы. В настоящее время на базе проведения опытных работ, по-видимому, появилась возможность создания нового поколения двигателей внутреннего сгорания с применением катализаторов с существенно более низким выбросом NO_x и в 1,5-2,0 раза более высокой эффективностью.

Топливные элементы (fuel cell) в последние годы получают всё большее распространение и постепенно завоёвывают все возрастающую популярность. Наибольший интерес представляют топливные элементы с применением полимерных электролитов (РЕМ). В топливных элементах этого типа используется твердый электролит с мембраной для ионообмена. Электролит является хорошим проводником для них и изолятором для электронов. Рабочая температура  70С-80С, что позволяет обеспечить быстрый пуск. РЕМ характеризуется высокой плотностью энергии (power density) и может быть применен также на транспорте.

Важным элементом децентрализованных систем являются накопители (аккумуляторы) энергии, сглаживающие возможные несоответствия графиков мощности, поступающей от источника (например, ветростанции) и выдаваемой потребителю. По-видимому, наряду с электрическим и механическими весьма эффективными могут оказаться накопители энергии, основанные на применении теплоаккумуляторов, использующих тепловые процессы фазовых переходов химических соединений и их смесей. Они характеризуются относительно низкими температурами плавления и значительными энтальпиями фазовых переходов (например, неорганических солей и их смесей с температурой плавления 120-400С).

Системный подход к решению этих задач позволяет реализовать многоуровневую структуру комплексного исследования и оптимизации процессов скоростного преобразования энергии, систематизировать конкретные рекомендации по характеристикам и конструкциям оборудования, условиям и режимам эксплуатации, свести к минимуму загрязнение окружающей среды.

ЛИТЕРАТУРА

1. Адексеев Г.Н. Преобразование энергии. - М.: Высшая школа, 1966.

2. Петросьянц А.М. Атомная энергетика. - М.: Высшая школа, 1976.

3. Рыжкин В.Я. Тепловые электростанции. - М., Энергия, 1976.

4. Непорожный П.С., Обрезков В.И. Гидроэнергетика. М., Энергоиздат, 1982.

5. Гидроэлектрические станции. Под ред. Ф.Ф.Шубина и Г.И.Кривченко. М., Энергия, 1980.

6. Лисичкин С.М. Энергетические ресурсы мира. - М.: Энергоатомиздат, 1977.

7. Красилов В.А. Охрана природы: принципы, проблемы, приоритеты. М.: Изд-во Института охраны природы и заповедного дела, 1992.

8. Энергетика и охрана окружающей среды / Под ред. Н.Г.Залогина, Л.И. Кроппа, Ю.М.Кострикина. – М.:Энергия, 1979.

9. Рихтер Л.А., Волков Э.Л., Покровский В.Н. Охрана водного и воздушного бассейнов от выбросов ТЭС. - М.:Энероатомиздат, 1981.

10. Вторжение в окружающую среду. – Официальное сообщение ОВОС, выпуск СКОПЕ5 (Система Комплексной Охраны Природы) - М.: Мир, 1977.

11. Воронцов А.М. Гибридные методы контроля загрязнений природной среды.- СПб, 1994.

12. Донченко В.К. Экологическая интеграция. 2.Социально - экономические аспекты экологической интеграции России в мировое сообщество. - СПб, НИЦ ЭБ РАН, 1993.

13. Мелентьев Л.А. Оптимизация развития и управления больших систем энергетики. - М., Энергия, 1976.

14. Кирилин В.А. Энергетика. Главные проблемы. – М.: Знание, 1990.

15. Стырикович М.А., Шпильрайн Э.Э. Энергетика. Проблемы и перспективы. М.: Энергия, 1981.

16. Капица П.Л. Энергия и физика. Вести АН СССР, 1976, №1.

17. Дьяков А.Ф. Основные направления развития энергетики России.Теплоэнергетика, 1991, №8.

18. Технико-экономические показатели зарубежных электростанций. -Электрические станции, 2003, № 1 – 5.

19. Коваленко А.Н. Теплофизические возможности повышения эффективности энергетических установок. Препринт ОЭЭП РАН 2003-01. - Спб.: ОЭЭП РАН, 2003.

20. Шнелль Р.В. Закон “fifty-fifty”. Предисловие акад. Ю.Н.Руденко, д.т.н. В.Г.Китушина. - Энергия, 1991, №12.

21. Месяц Г.А. Спасти науку. – М. :Наука. 2003.

22. Фортов В.Е.

23. Велихов Е.П., Глухих В.А. Импульсные источники тока для исследования термоядерных установок и реакторов. // Физика и техника мощных импульсных систем. – М.: Энергоатомиздат, 1987.

24. Новое в синергетике : Взгляд в третье тысячелетие. – М. :Наука. 2002.

25. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М., Электродинамика сплошных сред.- М.:Наука,1982. (Сер. Теоретическая физика, т.VШ).

26. Чернышев В.А. Упругость, гравитация, электродинамика. – М. :Наука. 2003.

27. Шаргородский В. С., Хоменок Л. А., Розенберг С. Ш., Коваленко А. Н.. Повышение технического уровня паровых турбин при внедрении систем принудительного охлаждения роторов. // Электрические станции, 1999, № 1.

28. Волков Э.П., Зайчик Л.И., Першунов В.А. Моделирование горения твердого топлива. – М. :Наука. 1999.

29. Диденко А.Н. СВЧ-энергетика. Теория и практика. – М. :Наука. 2003.

30. Тиходеев Н.Н. Передача электрической энергии. – Л. :Энергоатомиздат, 1984.

31. .Данилевич Я.Б., Боченинский В.П., Кириченко Б.Э., Коваленко А.Н. Малые электростанции. Препринт ОЭЭП РАН (2001-01). СПб.: Изд-во ОЭЭП РАН, 2002.

32. Коваленко А.Н. О тепловых воздействиях крупных гидростанций на окружающую среду. –В сб. Проблемы создания и эксплуатации новых типов электроэнергетического оборудования.- СПб.: Изд-во ОЭЭП РАН, 2003, вып.6.

33. 20. Данилевич Я.Б., Коваленко А.Н., Шилин В.Л. Атономные системы электро- и теплоснабжения с буферным накоплением энергии // Изв. РАН. Сер. Энергетика, 2002, № 1.

34. Burr M.T. Distributed frontiers // Independent Energy, 1999, June, pp. 29-30.

35. Твандейд Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии. – М.:Энергоатомиздат,1990.

36. Алферов Ж.И. Физика и жизнь – М. :Наука. 2002