Глава 3

ВОЗМОЖНЫЕ СПОСОБЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ЭНЕРГИИ

В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ

1. НЕОБХОДИМОСТЬ В РАЗВИТИИ СПОСОБОВ

ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ

Мировое потребление энергии во всех ее видах, в том числе и электроэнергии, находится в непосредственной зависимости от численности населения. Население Зем­ли растет особенно значительно в последнее время и к 2000 г. составит, по существующим прогнозам, примерно 6 млрд. человек. Динамика роста населения во второй половине XX в. такова, что к 2000 г. население возрас­тет более чем в 2 раза по сравнению с 1950 г. (табл. 3.1). Большая доля в приросте населения приходится на раз­вивающиеся страны. Наряду с увеличением общего по­требления энергии в мире растет также доля энергии, приходящаяся на одного человека (табл. 3.1).

Огромные потребности в энергии ставят перед чело­вечеством проблему разработки новых способов ее полу­чения. В настоящее время уже нельзя довольствоваться существующими, ставшими традиционными способами преобразования различных видов энергии в электриче­скую из-за ограниченности запасов органического топ­лива, которое расточительно используется при сжигании в топках. КПД современных ТЭС не превышает 40%. Это означает, что большая часть получаемой теплоты те­ряется и оказывает пагубное «тепловое загрязнение» на

Таблица 3.1

		Год
Энергетические мощности и	1950	1970	1980	2000
потребление энергии		Население, млрд. чел.
	1,97	2,87	3,6	6,0
Общие энергетические мощности, млн. кВт	223	1070	2200	7200
Энергетическая мощность в расчете на 1 человека, кВт	0,1	0,4	0,6	1,4
Общее потребление элек­троэнергии, млрд. кВтХ Хч/год	950	4760	10 000	33 000
Потребление электроэнер­гии на 1 человека, кВтХ Хч/год	500	1700	2900	6200

близрасположенные водоемы. Кроме того, при сжигании топлива плохо используется вещество, вовлеченное в процесс преобразования энергии. КПД по использова­нию вещества составляет у ТЭС ничтожно малую вели­чину. Следовательно, процесс сжигания топлива сопро­вождается огромными выбросами побочных продуктов, загрязняющих окружающую среду. Поэтому разработка новых способов преобразования энергии, позволяющих уменьшить выбросы отходов в атмосферу, относится к важнейшим социальным проблемам. Это, конечно, не означает, что современные ТЭС, ГЭС и АЭС не соответ­ствуют духу времени и их строительство будет пре­кращено.

В обозримом будущем ТЭС останутся одними из ос­новных, поэтому совершенствование их конструкции, улучшение термодинамического цикла актуально для большой энергетики.

Большие надежды возлагаются на АЭС, внедрение которых происходит во многих странах мира с невидан­

но

ными в истории техники темпами. Ожидается, что к 2000 г. суммарная мощность АЭС в мире составит 3500— 3600 ГВт, в то время как общая энергетическая мощ­ность достигнет 7000—7200 ГВт. Иными словами, пред­полагается, что не менее 50% всей располагаемой чело­вечеством энергетической мощности будет приходиться на АЭС*. Приведенные цифры свидетельствуют о боль­шом темпе развития, в особенности если учесть, что пер­вая АЭС была построена в 1954 г.

По использованию вещества на АЭС КПД значитель­но выше, чем на ТЭС (см. табл. 2.1), но при условии, что это вещество специально подготовлено для выпол­нения функций ядерного топлива. При этом на АЭС классический термодинамический цикл преобразования теплоты в механическую энергию, которая затем гене­раторами преобразуется в электрическую, приводит к большим потерям энергии, получаемой в реакторах. Таким образом, на современных АЭС не удается избе­жать основных принципиальных недостатков, свойствен­ных ТЭС.

Заманчива перспектива науки — получить эффектив­ные способы непосредственного преобразования ядерной энергии в электрическую. Предвидев то огромное значе­ние, которое ядерная энергия призвана сыграть в исто­рии человечества, Герберт Уэллс в начале XX в. писал: «...уже занималась заря мощи и свободы под небом, озаренным надеждой, перед ликом науки, которая, по­добно благодетельной богине, держала в сильных руках над кромешным мраком человеческой жизни изобилие, мир, ответ на бесчисленные загадки, ключи к славней­шим деяниям, ожидая, пока люди соблаговолят их взять...» **.

Широко используемые во многих странах мира ГЭС, сооружаемые на реках, и в дальнейшем будут развивать­ся как весьма современные преобразователи энергии в возобновляемой форме. В связи с возрастающим загряз­нением биосферы и ограниченностью запасов топлива повышается интерес к «чистым» электростанциям, ис­пользующим энергию морских приливов, теплоту земных недр, энергию солнечной радиации.

Таким образом, вместе с развитием цивилизации и технического прогресса будут совершенствоваться суще-

ствующие, ставшие классическими, и создаваться новые, более эффективные способы преобразования энергии. В отдаленной перспективе человечество будет распола­гать арсеналом качественно иных источников энергии, и то, чем оно пользуется сегодня, неизбежно отойдет в прошлое, как в настоящее время стали историческими паровые машины.

Несмотря на бурный прогресс в энергетике и высокие темпы наращивания энергетического потенциала плане­ты, производство энергии недостаточно. Все еще прихо­дится считаться с тем реальным фактом, что большая часть населения планеты голодает, страдает от нищеты и загрязнения окружающей среды.

Кроме того, потребление энергии в мире (различных странах) крайне неравномерно, а как показано выше, потребление энергии в стране определенным образом связано с культурным уровнем (см. с. 19) ее населения. Развитие цивилизации и производство материальных ценностей также непосредственно связаны с количест­вом потребляемой энергии и ее качеством.

Для улучшения условий жизни людей на планете, значительного повышения производительности труда, изменения ландшафтов в широких масштабах, а также решения ряда других жизненно важных проблем наря­ду с созданием необходимых социальных условий разви­тия важное значение имеет получение достаточно боль­ших количеств энергии.

Как справедливо пишут американские ученые Г. Си- борг и У. Корлисс, «...дешевая энергия — это значит пи­ща в достатке, обилие пресной воды, чистый воздух и все то, что принято называть признаками цивилизации»¹.

Нехватка в современном мире продуктов сельского хозяйства ставит перед правительствами ряда стран про­блему повышения их производства. В некоторой мере увеличение продуктов питания можно получить за счет использования пригодных для земледелия пустующих земель. Однако эти возможности имеются не во всех нуждающихся в продовольствии странах и, кроме того, они ограничены. В условиях быстрого увеличения чис­ленности населения решение проблемы продуктов пита­ния возможно только путем интенсификации сельского хозяйства и в первую очередь орошения земли. Запасы пресной воды, пригодной для целей орошения, невелики.

Издавна люди мечтали использовать для нужд сель­ского хозяйства морскую воду, омывающую берега. Опреснение морской воды в промышленных масштабах становится возможным в настоящее время, когда с помо­щью наиболее пригодных для этого АЭС стало доступ­ным получение в больших количествах теплоты, необхо­димой для дистилляции морской воды.

По существующим подсчетам ‘/з Земли из-за отсут­ствия влаги не заселена, в то время как V2 населения земного шара «теснится» на Vio суши. С помощью дешевых источников энергии можно было бы незаселен­ную территорию Земли превратить в процветающую, открывающую широкие горизонты для значительной час­ти населения планеты.

Огромные количества энергии потребуются человече­ству также для решения таких задач, как изменение климата на обширных пространствах путем изменения направления морских течений или сооружения водоемов с большой поверхностью испарения, преобразование ландшафта, строительство искусственных морских зали­вов и т. п.

Применяемые в современной энергетике способы получения электрической энергии сопровождаются боль­шими потерями и основаны на расточительном использо­вании органического топлива. В будущем, по мере воз­растания потребности в больших количествах , дешевой энергии и более рационального использования природ­ного сырья для производства продуктов химической, фармацевтической промышленности и т. п., неизбежно на смену ставшим традиционными способам преобразо­вания энергии придут качественно новые способы, в первую очередь способы непосредственного преобразо­вания теплоты и химической энергии в электрическую.

Способы непосредственного преобразования различ­ных видов энергии в электрическую основываются на физических явлениях и эффектах, открытых в прошлом. Их практическое применение совершенствуется по мере прогресса в науке и технике, накопления богатого экспе­риментального материала и использования новейшей технологии. Однако способы непосредственного получе­ния электрической энергии пока не конкурентоспособны со способами преобразования энергии, применяемыми на современных электрических станциях. Непосредственное получение в больших количествах электроэнергии преоб­разованием теплоты, химической и ядерной энергии отно­

сится к новым, перспективным способам, которые не­сомненно станут основными и значительно увеличат доступные энергетические ресурсы планеты.

Непосредственное получение электрической энергии уже широко используется в автономных источниках энер­гии небольшой мощности, для которых показатели эко­номичности работы не имеют решающего значения, а важны надежность работы, компактность, удобство обслуживания, небольшая масса и т. д. Такие источники энергии применяются в системах сбора информации в труднодоступных местах Земли и в межпланетном про­странстве, на космических аппаратах, самолетах, судах и т. п. Суммарная установленная мощность миллиардов автономных источников электроэнергии, несмотря на их скромные размеры, превосходит мощность всех стацио­нарных электростанций, вместе взятых.

Работа автономных источников, непосредственно преобразующих различные виды энергии в электриче­скую, основана либо на химических, либо на физических эффектах. В химических источниках, например, таких, как гальванические элементы, аккумуляторы, электро­химические генераторы и т. п., используется энергия окислительно-восстановительных реакций химических реагентов. Физические источники электроэнергии, такие, как термоэлектронные генераторы, фотоэлектрические батареи, термоэмиссионные генераторы, работают в со­ответствии с различными физическими эффектами.