На протяжении почти 80 лет электроэнергетика развивалась и функционировала как общенациональная монополия. Каждая республика бывшего Союза являлась интегрированной частью единой энергетической системы (ЕЭС). В 1991 году начался процесс децентрализации и дезинтеграции ЕЭС и электроэнергетики.Начался процесс реформирования отрасли, что привело к снижению качества и росту цен на электроэнергию. В эпоху угольной и мазутной энергетики необходимо было получать электричество и ...На протяжении почти 80 лет электроэнергетика развивалась и функционировала как общенациональная монополия. Каждая республика бывшего Союза являлась интегрированной частью единой энергетической системы (ЕЭС). В 1991 году начался процесс децентрализации и дезинтеграции ЕЭС и электроэнергетики.Начался процесс реформирования отрасли, что привело к снижению качества и росту цен на электроэнергию. В эпоху угольной и мазутной энергетики необходимо было получать электричество и тепло на крупных станциях, а затем передавать их потребителям находящимся на расстоянии. Такие системы были оправданы -- они возникли в те годы, когда основным источником энергии для страны был каменный уголь.Сжигать его трудно -- нужна сложная техника для размола. Кроме того, следовало располагать станции подальше от жилья.
Затем появились электростанции и котельные на мазуте. Но мазут -- это топливо доступное только для сжигания на крупных установках, причем, с обилием выделяемых токсичных газов в выбросах из дымовых труб. Атомные электростанции наносят не меньший ущерб.Утилизация отработанного топлива ядерных реакторов и тепла,последствия радиоактивных выбросов и аварий -- неполный перечень недостатков "мирного атома". Зачастую мы не можем в абсолютных единицах выразить ущерб,который всегда наносит любая тепло- или электростанция. Выбор вариантов развития энергетики разумен только в том случае, если сравниваются не только положительные, но и отрицательные факторы. В кипении политических страстей частный вопрос об энергоснабжении страны отодвинулся на второй план. Многие считают, что этот вопрос их не касается. Но если представить реакцию населения замерзающего в темных квартирах -- энергетика опередит даже продовольственный вопрос. Лозунг "Долой атомные электростанции" используют деятели всех мастей. "Зеленые" его применяют в прямом смысле.Противостоящие им апологеты (апологет -- тот, кто выступает с защитой какой-либо идеи) нынешних гигантских электростанций тоже любят этот лозунг, как пример очевидной некомпетентности и недальновидности "зеленых": "Посидят, дескать, в темноте --запоют иначе" [2]. Главные объекты дискуссий -- тепловые, гидравлические и атомные электростанции. Каждая из этих "фабрик электричества"имеет серьезные недостатки из которых на первое место выдвигается наносимый ими экологический ущерб. Для понимания "что такое хорошо и что такое плохо" в энергетике необходимы критерии учитывающие не обходимость продолжения хозяйственной деятельности человека и, наряду с этим, минимизирующие ущерб наносимый окружающей среде. Основной вклад в загрязнение атмосферы углекислым газомвносят ТЭЦ, ГРЭС и автомобили. Атомные электростанции не выбрасывают углекислый газ, а потому "парниковый эффект" стал главным аргументом у сторонников атомной энергетики. Достаточно большим энергетическим потенциалом обладают разведанные запасы газа. С экологической точки зрения у природного газа два недостатка: выбросы окислов азота и углекислого газа усиливающего парниковый эффект. При умелом сжигании газа, в парогазовых установках, окислов азота образуется немного (см. стр. 9), а выбросы углекислого газа примерно вдвое ниже, чем при использовании угля или нефти. До того как мы научимся получать энергию в больших количествах из принципиально новых источников будут использоваться традиционные виды топлива. Поэтому разрабатываются новые месторождения и исследуются процессы,позволяющие эффективнее использовать энергию ископаемого топлива и уменьшить связанное с этим загрязнение окружающей среды. В этой главе мы хотим показать, что нет оснований слепо верить тем, кто рисует наше будущее в мрачных тонах, кто постоянно твердит, что близится "конец света", чтоэнергетический кризис и загрязнение окружающей среды в течениедесятилетий угробят человечество. Парниковый эффект Опасность парникового эффекта человечество осозналосравнительно недавно [1]. Наряду с термическими процессами,происходящими внутри нашей планеты, большую часть энергии несетизлучение солнца. Температура излучающей поверхности Солнца около 6000oК.Падающая на Землю энергия переносится излучением с длиной волныот 0,2 до 2 мкм (кривая 1 на рис. p082). Излучаемая земнойповерхностью, со средней температурой в 255oК, энергияраспространяется в диапазоне длин волн от 2 до 100 мкм (кривая2 на рис. p082). Водяной пар атмосферы свободно пропускает прямое солнечноеизлучение и сравнительно слабо задерживает его отражение.Активное поглощение водой приходится на диапазон 4...7 мкм. Нарис. p082 этот диапазон занимает узкий участок спектра (участокH2O кривой 2). Углекислый газ (СО2) поглощает излучение начастотах 13...19 мкм. Он задерживает отраженное тепло научастке кривой 2. Таким образом, "углекислотное одеяло" повышает температурупланеты. Рост температуры коррелирует с ростом концентрацииуглекислого газа в атмосфере. На рис. p083 показано изменение концентрации СО2,измеренное на Гавайских островах. Там нет промышленных центров,поэтому можно считать, что регистрировалась "общемировая"картина. Замеры за 25 лет показали, что с 1959 по 1984 год,количество углекислого газа в атмосфере возросло. За десятилетие 1970...80 гг. повышение температуры земнойповерхности составило 0,3oС. В последующие десятилетияпрогнозировался рост температуры на несколько градусов.Реальное повышение температуры происходит несколько медленнее.Однако, в будущем потепление может стать причиной глобальногоэкологического бедствия -- привести к таянию полярных льдов,повышению уровня и затоплению прибрежных территорий мировогоокеана. По предварительным оценкам таяние полярных "шапок"Земли приведет к повышению уровня мирового океана на 6 метров. Топливные ресурсы Земли После нефтяного кризиса 1973...74 годов в развитых странахсерьезно задумались об экономии природного топлива. С той порыначался интенсивный поиск энергосберегающих технологий --конструирование экономичных двигателей, электростанций и пр. В результате потребности в топливе а, соответственно ицены на него, не только стабилизировались, но даже снизились.Изменились, став более оптимистичными, прогнозы относительноприродных топливных запасов. К примеру, прогнозы не учитывают гигантские резервыгазовых гидратов (газовые гидраты -- газы, связанные с водой взонах вечной мерзлоты и на дне морей). Но даже если этотсырьевой источник не брать в расчет, то имеющихся ресурсов, принезначительном замещении нефти углем и газом, вполнедостаточно, чтобы обеспечить уверенное энергетическоеобеспечение человечества до конца следующего столетия. Так чтов обозримом будущем природные ресурсы смогут успешноконкурировать как с еще только осваиваемым водородом, так и ссинтетическими видами топлива. Цифры, приводимые на рис. p065,показывают в каком соотношении используется ископаемое топливо[3]. Имеющиеся в нашем распоряжении источники энергии мыиспользуем в высшей степени нерационально. Человек вынужденнеоднократно преобразовывать один вид энергии в другой покаокончательно ее не использует. Каждое преобразование сопровождается потерями частиэнергии. На электростанциях из топлива получают тепловуюэнергию, используемую для производства пара. Пар, в своюочередь, приводит в движение турбины. Теперь уже механическаяэнергия, которая передается генераторам, преобразуется, вконечном счете, в электроэнергию. При использованииэлектронагревательных приборов полученная многократнымипреобразованиями и поэтому дорогая электрическая энергияпревращается вновь в тепловую. В результате из всей получаемойэнергии мы реально потребляем не более половины, остальнаябезвозвратно теряется. Потери тепловой энергии на первой ступени не позволяютполучить КПД выше 40%. Отработанное тепло попадает в водоемы инарушает в них биологическое равновесие. Тепловыеэлектростанции сжигающие уголь день и ночь выбрасывают ватмосферу тонны соединений углерода (ежегодно в атмосферувыбрасывается около шести миллиардов тонн углерода [3]) и серы.Последние вступают в химическую реакцию с влагой, содержащейсяв воздухе, образуя кислоты разъедающие сталь и мрамор и, чтонамного хуже, разрушающие наши легкие. В сравнении с традиционными паротурбиннымиэлектростанциями, ТЭЦ и котельными более эффективна газоваямикроэнергетика. Малые установки позволяют вырабатыватьнеобходимое количество энергии в соответствии с текущимипотребностями в непосредственной близости от потребителя. Ониобладают высокой надежностью и малоинерционны. Стоимостьоборудования на киловатт мощности вдвое ниже, чем на крупныхТЭЦ. Важное преимущество газовой микроэнергетики --маневренность. Изменить электрический режим можно за секунды,тепловой режим -- за минуты, вместо многих часов изменениярежима в обычных тепловых сетях. Практическая нерегулируемостьсегодняшних тепловых источников с длинными сетями приводит кперерасходу энергии: когда зимой потеплеет и мы открываем окна,выбрасывая избыток тепла на улицу. Отметим еще одну деталь: за все потери в энергетике, вконечном счете, платит потребитель. Нефть -- источник энергии и сырья Долгое время нефть не находила применения как топливо исырье. Только в начале ХIХ века из "земляного масла", как еетогда называли, стали выделять очищенные продукты. Преждевсего, научились получать керосин и бензин. Керосин нашелприменение сразу с появлением керосиновой лампы. Судьба бензинаоказалась более сложной. На протяжении почти ста лет эталегковоспламеняющаяся жидкость была одним из опаснейших отходовнефти. Бензина с каждым годом становилось все больше и от неговсе труднее было избавляться. К началу ХХ века весуничтожаемого бензина исчислялся сотнями тысяч тонн в год.Объявлялись конкурсы -- кто найдет лучший способ уничтоженияотходов. Только изобретение двигателя внутреннего сгоранияоткрыло реальную область применения бензина [4]. Нефть содержит до 50% мазута, который также не находилприменения. В настоящее время из него изготавливают смазки исжигают в специально разработанных топках котлов. Месторождения нефти на материках, которые могут бытьосвоены отработанными методами, давно и хорошо известны. Ихэксплуатация идет полным ходом. На протяжении многих лет специально оборудованные суда,ведущие разведку нефти, тщательно исследуют морское дно.Геологи связывают свои надежды, прежде всего, с шельфом (шельф[англ. shelf] -- подводное продолжение материка, до глубины 200м) -- дном мелководных морей, омывающих все без исключениячасти света. В морях, которые глубоко вдаются в материки, шельфовыезоны сравнительно велики, поскольку вокруг лежит суша. Берега втаких местах, как правило, омываются мелководьем. Наиболее перспективное шельфовое море -- Северное.Сейсмическое зондирование и контрольное бурение показало, чтопод его дном находятся несколько десятков нефтяныхместорождений. Согласно оценкам, суммарные разведанные запасынефти в Северном море достигают 1,5 млрд. т. Это в семь разпревышает запасы нефти на Европейском континенте. Специалисты полагают, что до сих пор разведана около 1/3нефти. Кроме нефти под дном Северного моря обнаружено около 50газоносных месторождений. В связи с этим становится понятной дальновидностьпостроения морских терминалов, например, в Одессе. Нефть нужнопереработать. При этом получают не только топливо, но и сырье. Газификация угля Кроме непосредственного сжигания уголь можетиспользоваться как сырье для получения синтетического газа.Первые опыты по газификации угля относятся к концу ХVIII века.В 1782 году Ф. Фонтана сообщил о наблюдавшейся им реакцииобразования "горючего газа" при пропускании водяного пара черезраскаленный уголь. Опыты по получению газа для освещения проводились в Англиив начале ХIХ века. В 1831 г. Дж. Лоу предложил сжигать уголь ватмосфере воздуха, а затем газифицировать пропуская через неговодяной пар. В 1840 г. был построен первый газогенератор. В1854 г. -- зарегистрирован первый патент на технологиюгазификации угля в промышленных масштабах. Рост доли промышленного использования в энергетике нефти иприродного газа сделал процессы газификации угляконкурентоспособными. Энергетические компании снова обратили нанего внимание в период энергетического кризиса 1973...74 гг. Производительные технологии разработаны в начале ХХ века.Известен метод газификации угольной пыли, предложенныйВинклером, в начале 20-х годов. Фирма "Лугри" разработалатехнологию получения газа, обладающего высокой теплотворнойспособностью, с использованием кислорода и водяного пара поддавлением. С точки зрения экологии любые виды газификации угля толькоувеличивают вредные выбросы. При сжигании выбросы окислов серыи азота остаются велики даже при очень дорогостоящих очистныхсооружениях, а выбросы основного продукта сгорания --углекислого газа -- неустранимы. Если теплоэлектростанции наряду с уловителями золы иочисткой сточных вод оборудуются установками для серо- иазотоочистки, то они, безусловно, дорожают. Расчеты показывают,что энергия угольных ТЭЦ обойдется вдвое дороже газовых. Таким образом, представляется, что для энергоснабженияэкономичнее использовать природный газ. Газовая микроэнергетика Газ -- наиболее эффективный вид топлива. Природный ипопутный горючий газ состоит из углеводородов с примесью азота,углекислого газа, сероводорода и в небольших количествах аргонаи гелия. В его состав входит 40...80% метана и пропана,20...60% бутана, пентана и высших углеводородов, а теплотворнаяспособность достигает 4,19 кДж/кг. Газ как топливо создает единственную экологическуюопасность -- токсичные окислы азота в продуктах горения. Вмалых котлах их образуется в пять раз меньше (на единицувырабатываемой энергии), чем в больших. Кроме того, существуютхорошо проверенные простые методы дальнейшего снижения окисловазота в выбросах путем подмешивания части дымовых газов квходящему воздуху, то есть с рециркуляцией или дожиганием. Дожигатель монтируется на любую горелку и обеспечиваетмедленное, с многократной рециркуляцией, вихревое движениегорящих газов дающее полное сгорание -- без сажи и приминимальных количествах окислов азота. Этот метод используетсяпри сжигании не только природного газа, но и отработанногомашинного масла из автомобильных двигателей или резиновыхотходов и старых шин. Малые энергоустановки на базе двигателей внутреннегосгорания на газовом топливе (или газовых турбин),турбогенератора и котла-утилизатора для комбинированнойвыработки электроэнергии и тепла представляются реальнойосновой газовой энергетики. В тех случаях, когда необходимотолько тепло (отопление, горячая вода), достаточно установитьна чердаке здания небольшой полностью автоматизированныйводогрейный котел. Газовые трубы вместо тепломагистралей Плотность потока энергии в газовой трубе, даже приневысоком давлении, в сто раз выше, чем в трубе с горячейводой. Уложенные до войны газовые трубы служат до сих пор. В тоже время тепловые сети с водой, нагретой до 100...180oС,приходится менять каждые пять-десять лет из-за неустранимойкоррозии металла в горячей и влажной среде. Поэтому одну и туже энергию можно передать в газовой трубе десятикратно меньшегодиаметра, кроме того, газовые сети многократно долговечнее. Вместо тепловых магистралей диаметром около метра, которыехорошо знакомы жителям городов, газовая труба диаметром 100миллиметров может быть проведена всюду практически без "травм"для окружающих сооружений. Малые современные водогрейные котлы с полной конденсациейдымовых газов имеют КПД не ниже 90%. При нагреве воды длягорячего водоснабжения от 10 до 100oС температура уходящихгазов составляет всего 20...30oС. Рециркуляцией дымовых газоввыбросы окислов азота снижаются до 30 частиц на миллион. Этолучше, чем при любых способах очистки, применяемых на большихэлектростанциях. Котлы полностью автоматизированы, они нетребуют обслуживания кроме периодического осмотра. На графике рис. p081 отражены результаты эксплуатациитакого котла тепловой мощностью 300 кВт. Как видно из графиков,даже в трудном режиме малой нагрузки (20% от номинальной)достаточно рециркулировать 25% газов, чтобы добиться малыхвыбросов. При такой же единичной мощности -- сотни киловатт можнорешать и задачу снабжения электроэнергией. Здесь хорошимпримером служат дизель-генераторы, поставляемые фирмой ABZAggregate-Bau GmbH (см. гл. 4.1). Дизельный двигатель наприродном газе вращает синхронный генератор, дающийэлектроэнергию. Тепло охлаждения двигателя и выхлопных газовиспользуется для отопления и горячего водоснабжения. Низкийуровень шума и малые выбросы окислов азота и других вредныхгазов приемлемы даже для условий города с особо высоким уровнемтребований. В жилых домах подобные агрегаты размещаются на верхнемэтаже либо в подвале. Их возможный шум или вибрация меньше, чемот лифтовой машины или водяных насосов. Запуск и остановкапроводятся автоматикой в соответствии с реальной нагрузкой.Никакой проблемы маневренности не возникает. При неисправностиагрегата его не ремонтируют, а заменяют, привозя новыйдвигатель или генератор. Эффективность малой энергетики по расходу топлива,несомненно, выше, чем при традиционном централизованномтеплоснабжении от паротурбинных ТЭЦ. Дизельные двигатели имеютКПД около 42%, тогда как паротурбинные установки, даже самыесовершенные -- не выше 39%. К тому же при доставкепреобразованной энергии потребителю в тепловых сетях теряется всреднем не менее 10% энергии, тогда как в газовой таких потерьнет совсем. Газ -- соперник бензина Повсеместный рост количества автомобилей потребовалзначительного увеличения объемов производства бензина. Вкачестве замены жидкого топлива для двигателей внутреннегосгорания широко используется природный газ. Когда в тридцатые годы прошлого века англичанин Барнеттполучил патент на газовый двигатель, а в 1860 году француз Э.Ленуар построил мотор, работающий на смеси воздуха и газа,никого такой выбор горючего не удивил -- бензина еще не было. Впервые бензин в качестве горючего был использован лишьспустя два десятилетия, когда Г. Даймлер создал бензиновыйдвигатель внутреннего сгорания. Бензиновый мотор заменил лошадьв первых "самодвижущихся колясках" -- автомобилях, создателямикоторых стали Карл Бенц и Готлиб Даймлер. О газе как о возможном моторном топливе надолго забыли.Лишь через 100 лет после Барнетта, в конце тридцатых годовнашего столетия, возродилась мысль о его использовании. Тогдапоявились первые газогенераторные автомобили. Газ вырабатывалсяв топке, а оттуда подавался в двигатель. Октановое число 105? Исследования опровергли устоявшееся мнение, чтоиспользование газа вместо бензина -- вынужденная мера. Газовоетопливо сгорает полнее, поэтому концентрация окиси углерода ввыхлопе газового двигателя в несколько раз меньше. Автомобиль на бензине выбрасывает в атмосферу сернистыйгаз, который образуется от сгорания сернистых компонентовтоплива, и тетраэтилсвинец. В природном газе серы, как правило,нет, а поэтому в выхлопах газового двигателя нет ни сернистогогаза, ни соединений свинца. В отработанных газах бензинового двигателя из-за неполногосгорания топлива содержится и окись углерода (СО) -- токсичноедля человека вещество. И газовые, и бензиновые автомобили выбрасывают в атмосферуодинаковое количество углеводородов. Для здоровья человекаопасны не сами углеводороды, а продукты их окисления.Двигатель, работающий на бензине, выбрасывает сравнительнолегко окисляющиеся вещества -- этил и этилен, а газовыйдвигатель -- метан, который из всех предельных углеводородовнаиболее устойчив к окислению. Поэтому углеводородный выбросгазового автомобиля менее опасен (см. рис. p064). Газ как моторное топливо не только не уступает бензину, нои превосходит его по своим свойствам. Двигатель внутреннего сгорания автомобиля работает поклассическому четырехтактному циклу. Газообразная смесь воздухаи топлива всасывается в цилиндр двигателя, сжимается поршнем,воспламеняется искрой, давит на поршень и двигает шатунныймеханизм, а затем выбрасывается из цилиндра. Чем сильнее можно сжать топливо без возникновениядетонации (детонация [лат. detonare прогреметь] --распространение пламени в веществе со скоростью, превышающейскорость звука в данном веществе), тем больше мощностьдвигателя. Антидетонационную способность топлива определяютоктановым числом. Чем оно выше, тем лучше топливо. Среднееоктановое число природного газа -- 105 -- недостижимо для любыхмарок бензина. Двигатель внутреннего сгорания работает на смеси воздуха ираспыленного топлива, Для воспламенения смеси нужнаопределенная концентрация топлива. Газ, в сравнении с бензином,горит при меньших концентрациях, т.е. при более "бедных"смесях. В случае повышения концентрации газа и обогащения смесиможно добиться увеличения мощности двигателя. Обедняя смесь,наоборот, можно понизить мощность. Возникает возможностьизменением состава смеси регулировать мощность двигателя: газкак топливо значительно "послушнее" бензина. Эксплуатация показала, что автомобили на газе болеевыносливы -- в полтора-два раза дольше работают без ремонта.При сгорании газа образуется меньше твердых частиц и золы,вызывающих повышенный износ цилиндров и поршней двигателя.Кроме того, масляная пленка дольше держится на металлическихповерхностях -- ее не смывает жидкое топливо, и, наконец, газпрактически не вызывает коррозию металла, Несмотря на многочисленные достоинства природного газа,закрывать заправочные станции и выбрасывать бензиновые канистрыеще рано. Метан В переходе на газовое топливо есть свои сложности. Так,например, плотность природного метана в тысячу раз нижеплотности бензина. Поэтому, если заправлять автомобиль метаномпри атмосферном давлении, то для равного с бензином количестватоплива понадобится бак в 1000 раз больше. Чтобы не возитьогромный прицеп с топливом, необходимо увеличить плотностьгаза. Это можно достичь сжатием метана до 20...25 МПа(200...250 атмосфер (1ат = 9,81х104 Па)). Для хранения в такомсостоянии используются специальные баллоны. Пропан-бутан Пропан-бутан -- синтетическое топливо. Его получают изнефти и сконденсированных нефтяных попутных газов. Чтобы этасмесь оставалась жидкой, ее хранят и перевозят под давлением в1,6 МПа (16 атмосфер). Газобаллонная аппаратура для сжиженногопропан-бутана несколько проще. Процесс заправки машин нагазонаполнительных станциях несложен и очень похож на заправкубензином. По своим свойствам сжиженный пропан-бутан почти неотличается от сжатого природного газа. То же высокое октановоечисло, те же неплохие экологические и эксплуатационныепоказатели. Есть у сжиженного пропан-бутана и преимуществоперед метаном -- 225 литров этого горючего хватает на пробегоколо 500 километров, а метана, помещающегося в восьми баллонах-- на вдвое меньший. Сейчас на сжиженном газе работает вдвоеменьше машин, чем на сжатом и вот почему. Пропан-бутанаполучают в 20...25 раз меньше, чем добывают природного газа. Водородная энергетика сегодня Возможность повсеместного использования водорода кактоплива сегодня выглядит менее обнадеживающе, чем, скажем, 30лет назад. Это направление энергетики предполагает получениеводорода в крупных масштабах путем разложения воды,транспортировку "горючего" к пунктам потребления ииспользование его практически во всех случаях, где сейчассжигают ископаемое топливо. Находятся горячие головы, которыепредлагают уже сегодня полностью отказаться отцентрализованного энергоснабжения, чтобы производитьэлектроэнергию с помощью водорода в топливных элементах у самихпотребителей [5]. О водородной энергетике мечтают давно: удельная теплота сгорания водорода в три раза выше, чем унефти или бензина; продуктом сгорания водорода является водяной пар; ресурсы сырья для получения водорода безграничны. Но водород как горючее имеет ряд недостатков: он более взрывоопасен, чем метан; объемная теплота сгорания водорода в три раза меньше, чему природного газа. Путь к безвредной энергетике труден и многоэтапен. Здесьвозможны разные решения. Тем не менее, в некоторых случаяхприменение водорода как топлива не только полезно сэкологической точки зрения, но и вполне экономически оправдано. К примеру, загрязнение атмосферы автомобильными выхлопнымигазами. Замена всех бензиновых двигателей на водородныенереальна, т.к. она связана с огромными материальнымизатратами. Однако, почти без всяких изменений в двигателе,можно использовать бензин с 10-процентной водородной добавкой.Даже этот небольшой шаг резко улучшит экологическую обстановкув крупных городах. Водород -- аккумулятор энергии Очевидным становится и то, что водород может ослабитьнекоторые напряженные проблемы атомной энергетики.Разрушительные аварии АЭС (Чернобыль, Тримайл-Айпенд) показали,что наиболее опасны "маневры" мощностью реактора, то естьизменение интенсивности ядерной реакции [3]. Следовательно, дляобеспечения безопасности желательно ограничиваться стационарнымрежимом работы АЭС. Эта стабильность ограничивает возможности энергосистем вчасти выравнивания нагрузок, когда, например, в рабочее времяпотребление энергии резко возрастает, а по ночам и в выходныедни падает. Пока не существует удовлетворительного способааккумулировать электроэнергию, но на помощь может прийтиводород. Расчеты показывают, что с помощью аккумулированияводорода затраты на производство электроэнергии могут бытьснижены примерно на 15% по сравнению с традиционным способом --АЭС плюс пиковая теплоэлектростанция на водороде. Аккумулировать водород можно не только в сжатом и жидкомвиде, а и в специально разработанных аккумуляторах водорода.Принцип работы таких аккумуляторов основан на свойствеполиметаллических композиций поглощать водород. Один из видовтакого аккумулятора представляет собой емкость из нержавеющейстали заполненную сплавом титана, ванадия и железа. Сплавобладает свойством выделять чистый водород, даже если онаккумулировался с примесью кислорода и влаги. На АЭС за счет излишков электроэнергии можно производитьводород и для нужд промышленности. Химическая промышленность --самый крупный потребитель водорода. Его используют в качествесырья, например, для производства аммиака. Такойэнерготехнологический комплекс может снизить на 10...17%расходы топлива по сравнению с существующей раздельной системойпроизводства электроэнергии, водорода и аммиака. Но в целом эффективность таких систем не очень высокаиз-за сравнительно низкого коэффициента полезного действия АЭС.КПД современных АЭС не превышает 33%, в то время как утеплоэлектростанций -- 39%. Невысокий коэффициент полезного действия АЭС обусловленсравнительно низкой температурой водяного пара (около 300oС),нагреваемого теплом атомного реактора. Условия безопасности непозволяют увеличить эту температуру, а она определяет КПДпаровой турбины и, следовательно, всей АЭС. Промышленные методы получения водорода Есть два направления промышленного получения водорода --электролиз и плазмохимия. Электролиз очень прост: в электролит,то есть в токопроводящую среду (классический вариант -- вода снебольшим количеством щелочи), помещают два электрода иподводят к ним напряжение. Однако, в установках, работающих поэтому принципу, для получения одного кубометра водородатребуется 4...5 киловатт-часов электроэнергии, что довольнодорого -- производство эквивалентного по теплотворнойспособности количества бензина обходится втрое дешевле. При электролизе большая часть электроэнергии теряется ввиде тепла при протекании тока через электролит. Кроме того,удельная производительность современных установок -- не более0,5 литра водорода в час с одного см2. Это количествоопределяется самим характером электрохимических реакций,протекающих только на поверхности электродов. Если электролизбудет широко использоваться, недостатки этого метода,по-видимому, останутся. Гораздо производительнее метод плазмохимии, использующийхимическую активность ионизованного газа -- плазмы. Вспециальные установки -- плазмотроны подводят газы или парыразличных веществ. Интенсивным электромагнитным полем в этихгазах или парах создают электрические разряды, образуетсяплазма. Энергия электрического поля передается ее электронам, аот них -- нейтральным молекулам. Последние переходят ввозбужденное, химически активное состояние. Перспективны неравновесные плазмохимические системы, гдеэлектроны, разогретые электромагнитным полем до температур10...15 тысяч градусов, избирательно передают энергиюмолекулам, а последние, распадаясь, образуют нужные химическиепродукты. При этом газ в целом остается практически холодным(его температура 300...1000oС). Важное преимущество этих систем-- объемный характер протекающих в них процессов. Большиескорости химических реакций в газовой фазе позволяют добиватьсягигантской удельной производительности плазмотронов. Прямое плазмохимическое разложение паров воды на кислороди водород в настоящее время малоэффективно. А вот углекислыйгаз оказался идеальным плазмохимическим объектом. Неравновесноевозбуждение его молекулярных колебаний до 4...6 тысяч градусовприводит к тому, что богатые энергией молекулы отбирают ее уболее бедных. Это влечет за собой резкое повышение скоростихимических реакций и энергетической эффективности процесса.Коэффициент полезного действия при разложении углекислого газана окись углерода и кислород превышает 80 процентов.Практически всю вкладываемую в разряд энергию удается направитьна осуществление полезной химической реакции. С учетом этого можно организовать двухстадийный циклпроизводства водорода: на первой стадии осуществить плазмохимическое разложениеуглекислого газа; на второй -- выполнить давно освоенную промышленностьюреакцию взаимодействия окиси углерода с водяным паром. В результате образуется водород и исходное вещество --углекислый газ. Таким образом, углекислый газ будет выполнятьроль физического катализатора для получения водорода из воды и,не расходуясь, разрешит трудности, возникающие при разложенииводяного пара. В итоге формируется плазмохимический цикл, вкотором тратится только вода, а углекислый газ постоянновозвращается в процесс. Производительность такой плазмохимической системы вдесятки тысяч раз превзойдет эффективность электролизеров,стоимость же водорода окажется примерно такой же, как и приэлектролизе. Это, конечно, еще дорого. Сегодня практически весьводород, потребляемый промышленностью, производится за счетпереработки природного газа. В таких установках вместо одного энергоносителя получаемдругой и используем его не для нужд энергетики, а длятехнологии. Такая схема выглядит ущербно. Поэтому исследовалитакой обнадеживающий источник водорода, как сероводород,сопутствующий, в частности, обычным, прежде всего, глубиннымместорождениям природного газа. Многие беды в районах газоносных месторождений связаны свыбросами сероводорода или продуктов его переработки ватмосферу. Сейчас в промышленности в лучшем случае сероводородокисляют кислородом воздуха по методу Клаусса, разработанномуеще в прошлом веке, и получают при этом серу, а водородсвязывается с кислородом. Недостаток этого, кстати, весьмадорогостоящего процесса очевиден: из сероводорода извлекаюттолько серу, а водород переходит в воду. Поэтому проводились эксперименты по диссоциациисероводорода в плазме, чтобы на одной стадии получать двапродукта: водород и конденсированную серу. Для этого сероводородную плазму заставляют вращаться соколозвуковой скоростью. Образующиеся в плазмотроне частицысеры выносятся при этом из объема реакции за время,недостаточное для осуществления обратной реакции. Центробежныйэффект позволяет добиться значительного отклоненияплазмохимической системы от термодинамического равновесия иснизить энергозатраты на получение кубометра водорода додесятков ватт. Такой водород оказывается дешевле электролизногопримерно в 15 раз, и его уже можно широко использовать вэнергетике и в промышленности. Мы давно находимся на переломном рубеже. Всем ясно, чтоназрели изменения традиционной энергетической структуры вкоторой главенствовали нефть и уголь. Сегодня наиболееперспективным является природный газ, но его широкоеиспользование связано с проблемами экологии. В обозримомбудущем водород может придать энергетике безопасность иэкологическую чистоту.
|
