0. Качество энергии и энергетических ресурсов

Более ста лет назад был установлен фундаментальный закон физики – закон сохранения энергии: энергия не может быть уничтожена или получена из ничего, она может лишь пере- ходить из одного вида в другой.

Частным случаем закона сохранения энергии является 1 закон (начало) термодинамики. Он устанавливает взаимную превращаемость всех видов энергии: тепло Q, сообщенное не- изолированной системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии ΔU и совершение ею работы А против внешних сил: Q= ΔU+A.

Все процессы в природе подчиняются действию этих законов. С далеких исторических времен развитие цивилизации и технический прогpecc сопровождаются быстрым ростом по- требления энергии и непосредственно связаны с количеством и качеством используемых энергоресурсов. Понятия количества и качества энергии определяются законами термодина- мики.

С понятием «качество энергии» непосредственно связано существо понятия «энерго- сбережение». С точки зрения 1 закона термодинамики, «энергосбережение» внутренне про- тиворечиво. Сохранять энергию нет необходимости, это делает природа в соответствии с за- коном сохранения энергии. Сохранять нужно работоспособность энергии или эксергию, ко- торая является мерилом качества – энергетической эффективности каждого вида энергии.

Итак, качество различных видов энергии оценивается эксергией – величиной, опреде- ляющей максимальную способность материи к совершению работы в таком процессе, ко- нечное состояние которого определяется условиями термодинамического равновесия с ок- ружающей средой.

Основные различия имеются в этом отношении между электрической и механической энергией, с одной стороны, и тепловой энергией – с другой. Электрическая и механическая энергия в ходе технологических процессов совершают превращения, составляющие основу этих процессов, практически без потерь, т.е. имеют 100%-ную работоспособность. Тепловая энергия характеризуется неупорядоченной формой передачи внутренней энергии. При ее превращении, допустим, электрическую часть тепла расходуется на упорядочение этого дви- жения и образует потери. Так, для получения, например, 1 кДж тепла достаточно иметь 1 кДж механической или электрической энергии, но для получения 1 кДж механической или электрической энергии потребуется более I кДж тепла. В чем причина таких отличий?

С точки зрения современной науки, тепловая энергия есть не что иное, как сумма энер- гий мельчайших частиц (атомов, молекул, электронов), находящихся в состоянии неупоря- доченного движения. Порядок просто превратить в хаос, что и происходит при превращении

электрической или механической энергии в тепловую. Упорядочить хаос гораздо труднее, на это нужно затратить энергию. Вот почему тепловая энергия не всегда, но в любом случае не полностью превращается в другие виды энергии. Указанные отличительные особенности те- пловой энергии, условия ее превращения в другие виды энергии определяются II законом (началом) термодинамики.

Согласно этому закону, процессы, связанные с теплообменом при конечной разности температур, необратимы, т.е. могут протекать самопроизвольно только в одном направлении от горячих к холодным телам с установлением равновесия в системе. Другими словами, за- кон возрастании энтропии (принцип необратимости) состоит в том, что если в изолирован- ной системе есть разница температур и система предоставлена сама себе, то с течением вре- мени температура все более выравнивается и работоспособность замкнутой системы падает до нуля.

В системном анализе эксергатический подход весьма важен, так как в системах энерго- использования применяются и расходуются разные виды энергии: электрическая, механиче- ская, химическая, тепловая и разные энергоносители, например, топливо, сжигаемое в кот- лах, исчах, двигателях внутреннего сгорания и т.п.

Для оценки практической пригодности энергии, содержащейся в материи, важно знать не только количество эксергии, но и концентрацию, т.е. отношение эксергии к объе- му термодинамического агента (энергоносителя). Чем выше концентрация эксергии, т. е. плотность энергопотока, тем лучше показатели сооружения и эксплуатации энергетических установок. Очевидно, что 1 Дж энергии в виде электричества имеет большую ценность для потребителя, чем 1Дж в виде низкотемпературного тепла, например, горячей воды. А такой энергоноситель, как лазерный поток, имеет еще больший эксергатический показатель.

Немногим более половины всей потребляемой энергии используется в виде тепла для технических нужд, отопления, приготовлен: пищи, оставшаяся часть – в виде механической, прежде всего в транспортных установках, и электрической энергии. Причем доля электриче- ской энергии с каждым годом растет.

Удельной энергоемкостью энергетического ресурса называется количество энергии, приходящееся на единицу массы физического тела энергоресурса.

Для удобства сопоставления различных видов энергоресурсов и возможности расчетов расход всех видов топлива сравнивается с расходом так называемого условного топлива. За условное принято такое топливо, при сгорании 1 кг которого выделяется 29,3*10⁶ Дж, или 7000 ккал энергии. В табл. 1.1 приведены значения удельной энергоёмкости для ряда энергетических ресурсов в сравнении с условным топливом.

Таблица 1.1.

Значения удельной энергоёмкости для ряда энергетических ресурсов в сравнении с услов- ным топливом.

Виды топлива	Условное топливо	Уголь ан- трацит	Дрова сухие	Нефть	Газ пропан	Водород
Уд. энер- гоемкость, 106 Дж/кг	29,3	33,5	10,5	41,9	46,1	120,6
ккал/кг	7000	8000	2500	10000	11000	28800

Видно, что высокой энергоемкостью обладают газ и нефть, что во многом и опреде- лило их хищническое потребление.

0. Электрическая энергия.

Электрическая энергия является наиболее удобным видом энергии и, но праву, может считаться основой современной цивилизации. Подавляющее большинство технических средств механизации и автоматизации производственных процессов (оборудование, приборы ЭВМ), замена человеческого труда машинным в быту имеют электрическую основу.

Почему же так быстро растет спрос именно на электрическую энергию, в чем ее пре- имущество?

Электрическая энергия обладает такими свойствами, которые делают ее незаменимой в механизации и автоматизации производства и в повседневной жизни человека:

1. Электрическая энергия универсальна, она может быть использована для самых раз- личных целей. В частности, ее очень просто превратить в тепло. Это делается, например, в электрических источниках света (лампочках накаливания), в технологических печах, исполь- зуемых в металлургии, в различных нагревательных и отопительных устройствах. Превра- щение электрической энергии в механическую используется в приводах электрических мо- торов.

2. При потреблении электрической энергии ее можно бесконечно дробить. Так, мощ- ность электрических машин в зависимости от их назначения различна: от долей ватта в мик- родвигателях, применяемых во многих отраслях техники и в бытовых изделиях, до огромных величин, превышающих миллион киловатт, в генераторах электростанций.

3. В производстве электрической энергии, наоборот, можно концентрировать ее мощ- ность, увеличивать напряжение и передовать по проводам как на малые, так и на большие расстояния любые количества электроэнергии с электростанций, где она вырабатывается, всем ее потребителям.

Электроэнергетика является важнейшей отраслью экономики любой, страны, посколь- ку ее продукция (электрическая энергия) относится к универсальному виду энергии. Ее легко можно передавать на значительные расстояния, делить на большое количество потребителей. Без электрической энергии невозможно осуществить многие технологические процессы, как невозможно представить нашу повседневную жизнь без отопления, освещения, охлаждения, транспорта, телевизора, холодильника, стиральной машины, пылесоса, утюга, использования современных средств связи (телефон, телеграф, телефакс, ЭВМ), которые также потребляют электроэнергию.

Одной из специфических особенностей электроэнергетики является то, что ее продук- ция в отличие от других отраслей промышленности не может накапливаться в запас на складе для последующего потребления. В каждый момент времени ее производство должно соответствовать ее потреблению.

Хотя электрическая энергия широко используется в разных отраслях народного хозяй- ства, основное ее количество (60,0 %) в республике потребляется в промышленности. Осо- бенностью электроэнергетики в Беларуси является то, что практически 100 % всей произ- водимой электроэнергии дают тепловые электростанции, которые работают на привоз- ном топливе (мазут, природный газ). Более 50 % электроэнергии вырабатывается в Мин- ской и Гомельской областях. Но самой мощной тепловой электростанцией в Республике Бе- ларусь является Лукомльская ГРЭС мощностью 2,4 млн кВт (2,4 ГВт), расположенная в Витебской области. Около 1 ГВт имеет мощность Березовская ГРЭС, меньшую - Смоле- вичская и Василевичская ГРЭС. Часть электроэнергии вырабатывается на ТЭЦ, которые размещены в крупных городах (Минск, Витебск, Гомель и др.), а также на ТЭЦ при некото- рых предприятиях Беларуси: сахарных заводах, объединении "Беларускалий", Добрушской бумажной фабрике.

В энергосистему страны входит и патриарх отечественной энергетики – БелГРЭС, которая была воздвигнута в 1930 г. в рекордно-короткие сроки - за три года и пять меся- цев. Это была в то время крупнейшая гидроэлектростанция союзного значения - одна из 30 по плану ГОЭЛРО. Она разместились в недрах торфяных болот в двух десятках километ- ров от Орши в городском поселке Ореховск Оршанского района.

Кстати, первая в Беларуси электростанция была построена на территории Гомель- ской области в 1898 году при Добрушской бумажной фабрике, затем через пять лет была пущена в эксплуатацию Минская электростанция, потом появилась Витебская и другие. Всего в 1913 году на территории республики действовало 11 электростанций общей мощ- ностью 5,3 тыс. кВт. Протяженность электролиний была в пределах 200 километров².

Поскольку при передаче электроэнергии на большие расстояния наблюдаются значи- тельные ее потери, для рынка этого вида продукции характерным является использование электроэнергии из местных и ближайших районов. Поэтому наибольшее количество им- портируемой в Беларусь электроэнергии приходится на долю наших соседей - России (70 %, Смоленская АЭС) и Литвы (30 %, Игналинская АЭС). Всего в 2000 году Беларусь импорти- ровала 7,2 млрд кВт×ч электроэнергии. Небольшую часть вырабатываемой электроэнергии (128 млн кВт×ч) Беларусь экспортировала в Польшу и на Украину. С вводом в эксплуатацию в 2001 г. новой подстанции, двухцепной линии электропередачи в 110 киловольт и новой 15- километровой высоковольтной линии в Бяло-Подляском воеводстве (Польша) будет осуще- ствлено транспортирование электроэнергии из Беларуси на Запад.