5.1.2 Преобразование энергии и эффективность энергосистем

Производство потребляемой энергии – это преобразование одних видов энергии в другие. При этом выполняется закон сохранения энергии. В настоящее время значительная часть тепловой и электрической энергии получается от сжигания углеродосодержащих горючих ископаемых. При использовании природных энергоресурсов и продуктов их переработки различают три основных способа преобразования энергии:

• получение тепла при сжигании топлива и использование этого тепла для обогревания зданий и сооружений;

• преобразование тепловой энергии топлива в механическую работу (например, сжигание нефтепродуктов для движения транспорта);

• преобразование теплоты сгорания топлива в электрическую энергию с последующим ее использованием.

Первая энергетическая установка промышленного масштаба была создана во второй половине XVIII в. английским изобретателем Дж. Уаттом. В паровой машине Уатта тепловая энергия превращалась в механическую работу. Долгое время считалось, что сравнительно невысокая эффективность преобразования тепловой энергии в полезную работу обуславливается несовершенством самого механизма преобразования. Однако с развитием термодинамики стало ясно, что существует принципиальное ограничение полного преобразование теплоты в полезную работу (см.раздел 2.4.5). В настоящее время значительная часть усовершенствований, направленная на повышение эффективности производства электроэнергии с использованием пара, уже осуществлена. Если КПД первых паровых машин составлял 2 – 5%, то КПД большинства современных тепловых электростанций превышает 30%. В последние десятилетия за счет оптимизации и совершенствования технологических процессов КПД ряда энергетических установок удалось повысить до 40%, что приближается к термодинамическому пределу. Это значит, что из каждой тонны топлива более половины тратится на бесполезный нагрев воды, воздуха, деталей установки и т.д.

В процессах превращения и потребления энергии особую роль играет электрическая энергия. Электроэнергия – это своеобразный посредник между источником энергии и потребителями. Разумеется, любой посредник увеличивает стоимость товара, однако в ряде случаев невозможно эффективно использовать энергию, не превратив ее в электрическую. Только после открытия электричества стало возможным эффективно передавать энергию на большие расстояния.

Первым источником электрического тока стала разработанная в середине XIX в. гальваническая батарея, позже была сконструирована динамомашина – генератор тока, ставший отправной точкой для разработок многочисленных источников электрического тока. Электроэнергия в те времена была очень дорогой и производилась в небольших количествах. Алюминий и магний, полученные электрохимическим путем в середине XIX в., стоили дороже золота и платины. С модернизацией источников тока электроэнергия дешевела, что способствовало, в частности, бурному развитию химической промышленности.

В настоящее время существенная доля электроэнергии производится на тепловых электростанциях, где при сжигании ископаемого топлива получается тепло и пар, который подается на турбогенераторы, вырабатывающие электроэнергию. Схема получения электроэнергии следующая: химическая энергия топлива → тепловая энергия → механическая энергия → электроэнергия. Превращение механической энергии в электроэнергию основано на явлении электромагнитной индукции (раздел 2.6.5). Принципы работы различных электростанций во многом совпадают, отличаясь лишь способом получения тепла от первичного источника. На атомных электростанциях тепловая энергия получается за счет энергии деления атомных ядер.

Электроэнергия производится также при преобразовании механической энергии падающей воды и ветра, световой энергии Солнца.

Производство, использование и передача электроэнергии на большие расстояния связано с большими потерями. Это связано как с объективными физическими законами, так и с недостаточным уровнем развития технологий. В связи с этим важным является совершенствование производственных процессов и технологий энергосбережения, поиск новых эффективных принципов получения электроэнергии. Однако этого недостаточно. Человечеству необходимо находить новые эффективные источники энергии.