Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
Энергия, энергоресурсы и энергоносители. Основные понятия
Гуртовцев А.Л., к.т.н., с.н.с.
Природа является причиной самой себя»
Демокрит (460 – 370 гг. до н.э.)
Русское слово энергия, английское energy, немецкое и французское energie - все эти слова произошли от древнегреческого energeia (energeia), которое обозначает действительность, деятельность, действие и противопоставляет себя тому, что не является действительностью, но может ею стать в процессе движения и развития, - возможности, способности, потенции. Формирование понятия энергии, начавшись в 6-4 вв. до н.э. в рамках древнегреческой натурфилософии, было продолжено почти через две тысячи лет в эпоху европейской научной революции в естествознании (XVII век), достигнув за последние триста лет современного, но далеко еще не завершенного понимания того, что есть энергия. Это понятие является фундаментальной физической и философской категорией и теснейшим образом связано с другими всеобщими категориями, такими как материя, движение, пространство и время, масса, информация. По мере дальнейшего проникновения человека в тайны материи будет, несомненно, углубляться и наше понимание энергии.
Современное понятие энергии трактуется как общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи :
|
Данное определение поясняет, что:
1) все виды материи взаимодействуют друг с другом, связывая воедино все явления в природе и обеспечивая материальное единство мира;
2) существование конкретного вида и взаимодействия различных видов материи проявляются в форме движения, под которым понимается не просто механическое перемещение физических объектов в пространстве и во времени, а их постоянное количественное и качественное изменение путем взаимопревращений;
3) есть нечто общее» в различных процессах движения материи, независящее от их видов и имеющее количественную меру, которую и называют энергией. Это нечто общее» выступает не как форма, или содержание конкретных процессов движения, но как ближайшая причина проявления в них различных сил, способных производить работу, в том числе и полезную для человека.
В настоящее время развитие знаний об энергии продолжается как на пути поиска ее единой физической первоосновы (сегодня в качестве такой первоосновы рассматривают, в частности, физический вакуум), так и в рамках изучения отдельных, специфических видов энергии, среди которых выделяют ее главные разновидности, или формы: механическую, тепловую, химическую, электромагнитную, гравитационную и ядерную. Одни формы энергии могут превращаться в другие в строго определенных количественных соотношениях, и эти превращения кладутся в созидательную основу энергетики человеческого общества. Вместе с тем, закон сохранения и превращения энергии, который является одним из основных законов современного естествознания, гласит, что при всех превращениях энергии общее количество ее в замкнутых, или изолированных, системах не изменяется, что накладывает определенные ограничения на возможности энергетики. Базовой отраслью экономики любого современного индустриально развитого государства является большая энергетика, или энергетическая отрасль, охватывающая своей деятельностью приобретение и использование энергетических ресурсов, выработку, накопление, преобразование, передачу, распределение и использование различных видов энергии и энергоносителей. В этой последовательности действий процесс использования (потребления) энергии и энергоносителей происходит, главным образом, вне рамок самой энергетики – у потребителей, к которым относятся физические лица (граждане) и юридические лица (субъекты общества и государства). Потребители используют энергию путем ее дальнейшего преобразования с помощью разнообразных энергоприемников искусственного и естественного происхождения в полезные физические процессы для удовлетворения своих личных и общественных потребностей. Сама же энергетика нацелена исключительно на обеспечение в целом потребностей граждан, общества и государства в базовых видах энергии. Дополнением большой энергетики является малая энергетика, развиваемая самостоятельно отдельными потребителями как в собственных интересах, так и в интересах общества.
Согласно закону сохранения энергии, энергия не может быть получена ниоткуда» и исчезнуть в никуда». Энергия может быть только преобразована из одного вида в другой, а единственным первичным источником или хранилищем энергии является окружающий нас материальный мир во всем своем многообразии. В энергетике для получения требуемой обществу полезной энергии необходимо иметь первичные энергетические ресурсы, т.е. ресурсы (от фр. ressource – вспомогательное средство), содержащие природные запасы энергии, которые могут быть преобразованы с помощью существующих энергетических технологий в полезные виды энергии.
|
Материя существует в двух основных своих формах – форме вещества (в одном из его агрегатных состояний или фазах – твердом, жидком, газообразном и плазменном - или их сочетаниях) и форме поля (в различных его видах, включая волновое излучение), которые постоянно преобразуются друг в друга. Наиболее общее понятие об энергии можно получить воспользовавшись идеями теории относительности, связывающей воедино вещество и поле. Согласно принципу эквивалентности энергии и массы, или принципу эквивалентности Эйнштейна, сформулированному в специальной теории относительности, любое покоящееся в вакууме относительно некоторой системы отсчета физическое тело с собственной массой покоя m0 обладает в этой системе отсчета запасом энергии покоя, или внутренней энергией, Е0=m0×c2, где с - скорость света в вакууме, равная 3×1010 см/с. В соответствии с формулой, изменение внутренней энергии тела (например, путем его нагрева или охлаждения) ведет к изменению его массы и, наоборот, изменение собственной массы тела ведет к изменению внутренней энергии, а, следовательно, к изменению энергии, выделяемой или поглощаемой телом из внешней среды в полевой форме.
Так, один грамм любого вещества теоретически содержит энергию Е0(1г)=1г×(3×1010см/с)2=9×1020эрг=9×1013Дж, которая может выделиться при аннигиляции вещества (от лат. annihilatio – превращение в ничто», уничтожение), т.е. превращении его полностью в полевую форму (волновое излучение). Для сравнения, частичные превращения вещества одного вида в вещество другого вида при различных физических или химических взаимодействиях имеют существенно более низкие значения выделяемой внутренней энергии. Так, в частности, при термоядерной реакции синтеза гелия из ядер тяжелого водорода (дейтерия) выделяется энергии в 160 раз меньше - ЕD(1г)=5,62×1011Дж, а при реакции деления ядер урана U235 меньше в 1125 раз - ЕU(1г)=8×1010Дж [6]. Еще меньше энергии дают химические окислительно-восстановительные реакции сжигания углеводородного топлива в присутствии атмосферного кислорода. Так, для наиболее высококалорийного вида такого топлива, как атомарный водород (теплотворность 80000 кал/г), выделение энергии при его сжигании составляет ЕH(1г)=3,35×105Дж, для бензина (теплотворность 11000 кал/г) – Ебн (1г)=4,6×104Дж, а для низкокалорийного варианта углеводородного топлива - вылежавшейся древесины (влажность до 27%, теплотворность 3100 кал/г) – Едр (1г)=1,3×104Дж.
Казалось бы, что энергоресурсом может быть любое вещество. Но современные энергетические технологии не позволяют получать энергию из любого вещества. В частности, отсутствуют технологии аннигиляции вещества, а технологии термоядерного синтеза носят пока исключительно экспериментальный характер. Поэтому в настоящее время к реальным энергоресурсам, в противоположность потенциальным энергоресурсам, которые, вероятно, будут использоваться в отдаленном будущем, можно отнести достаточно ограниченный круг разновидностей вещества и поля, присутствующих в биосфере Земли или ближайшем космосе и доступных для технического использования человеком. Этот круг энергоресурсов еще больше сужается, если дополнительным критерием их использования рассматривать, помимо чисто технической возможности, экономическую эффективность и политическую целесообразность.
Первичные энергоресурсы, в отличие от экономических ресурсов (материальных, трудовых, финансовых), которые создаются в обществе, относятся к природным ресурсам – естественным ресурсам природы и среды обитания человечества, используемым последним для удовлетворения своих материальных, культурных и духовных потребностей. Эти ресурсы не создаются трудом человека, а существуют независимо от него. Помимо энергетических, к природным ресурсам относят космические, воздушные, водные, земельные, минеральные, растительные, животные и другие ресурсы. Все эти ресурсы, включая и энергетические, подразделяют, с точки зрения возможности их длительного использования человеческим обществом, на две большие группы: неисчерпаемые, срок эксплуатации которых практически неограничен и измеряется миллионами лет, и исчерпаемые, срок использования которых ограничен и во многом зависит от условий их эксплуатации.
К неисчерпаемым энергоресурсам относят некоторые земные, например, тепло недр, и космические - солнечную радиацию, космическое излучение, гравитацию небесных тел (по существу, и эти ресурсы также исчерпаемы, хотя и в очень отдаленной перспективе: например, Солнце должно закончить свой эволюционный цикл через 5 млрд. лет пройдя стадию красного гиганта и превратившись в белый карлик). Ресурсы второй группы, в свою очередь, делят на возобновляемые, т.е. способные при определенных условиях к постоянному восстановлению в процессе их использования (например, гидроресурсы или биомасса) и невозобновляемые, эксплуатация которых неизбежно приводит к истощению их запасов (например, полезные ископаемые).
Некоторые энергоресурсы могут одновременно относиться к этим двум подгруппам. Так, топливо – горючее вещество, которое при сжигании выделяет значительно количество теплоты - может быть невозобновляемым ресурсом, если в качестве его применяются полезные ископаемые, например, уголь, и, напротив, превращается в возобновляемый ресурс, если им становится древесина. Топливо может использоваться как источник энергии непосредственно в рабочих машинах для получения потребителем требуемой конечной формы энергии, например, механической. Оно же может применяться в энергоустановках большой или малой энергетики для выработки тепловой и/или электрической энергии. В последнем случае его относят (в узком смысле слова) к топливно-энергетическим ресурсам (ТЭР). В широком смысле слова под ТЭР понимается, как топливо, предназначенное для использования в энергетике, так и другие виды энергоресурсов, отличающиеся от топлива, но пригодные для производства полезной энергии (например, гидроресурсы). При этом топливо по своему применению в рамках ТЭР занимает только определенную долю.
Главными первичными энергоресурсами современной цивилизации стали по историческим, техническим и экономическим причинам невозобновляемые природные запасы ископаемого органического, или углеводородного топлива в виде нефти, газа, каменного и бурого угля, торфа и горючих сланцев, накопленные в недрах планеты за сотни миллионов лет эволюции ее биосферы. Эти энергоресурсы и продукты их переработки используются интенсивно в энергетике в последние два столетия для сжигания в камерах сгорания, топках и котлах энергоустановок с целью получения исходной тепловой энергии в форме водяного пара. Далее эта энергия преобразуется в полезную механическую, тепловую или электрическую энергию в рабочих машинах (двигателях, турбинах, генераторах) на соответствующих энергообъектах - тепловых электростанциях (ТЭС), теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) и котельных. Дополнительно к углеводородному топливу в энергетике потребляются невозобновляемые энергоресурсы ископаемого минерального топлива в виде урановой руды. Она применяется после соответствующей переработки и обогащения на атомных электростанциях (АЭС) для производства в процессе управляемой реакции деления ядер урана тепловой энергии в форме того же водяного пара с последующим его использованием для выработки электрической и/или тепловой энергии.
Помимо невозобновляемых первичных энергоресурсов, которые в современной мировой энергетике используются для выработки свыше 85% всей полезной энергии, все шире применяются и разнообразные возобновляемые энергоресурсы:
а) гидроэнергоресурсы, использующие механическую потенциальную и кинетическую энергию воды, в частности, на гидро - (ГЭС) и гидроаккумулирующих (ГАЭС), приливных (ПЭС) и волновых электростанциях (ВоЭС);
б) ветроэнергоресурсы, использующие кинетическую энергию воздушных потоков атмосферы для выработки электроэнергии на ветроэнергетических установках (ВЭУ) и ветровых электростанциях (ВЭС);
в) геотермальные и геогидротермальные энергоресурсы, используемые для получения тепловой энергии с горячей водой и паром на геотермальных тепловых электростанциях (ГеоТЭС);
г) солнечное излучение, используемое для получения тепловой энергии на солнечных водяных коллекторах или электрической энергии на солнечных (СЭС) и солнечных тепловых электростанциях (СТЭС);
д) выращиваемая и затем сжигаемая в топках энергоустановок с целью получения тепловой энергии биомасса, и другие возобновляемые природные энергоресурсы.
Наряду с первичными энергоресурсами в энергетике применяются и вторичные энергоресурсы, которые появляются как отходы основного общественного производства в процессе получения или использования полезных видов энергии в самой энергетике или в других отраслях экономики. К таким вторичным энергоресурсам относятся, в частности, различные производственные отходы, пригодные для сжигания (например, опилки, мусор, автомобильные покрышки) или производства горючих газов (биоотходы, в том числе навоз), отходы, или сбросы тепловой энергии в виде горячей воды, пара или газа, пригодные, тем не менее, для дальнейшего использования, и другие энергоотходы. Вторичные энергоресурсы могут применяться как для дополнительной выработки и преобразования энергии, так и для непосредственного полезного ее использования в тех или иных технологических процессах.
Первоочередной задачей большой энергетики является получение и использование первичных и вторичных энергоресурсов для выработки двух господствующих в обществе, полезных и универсальных видов энергии – тепловой и электрической. Эта задача решается в рамках топливно-энергетического комплекса (ТЭК), в который входит топливная промышленность – комплекс отраслей, занятых добычей и переработкой соответствующего топливно-энергетического сырья (нефти, газа, угля, сланцев, торфа, древесины, урановой руды), топливоснабжающая отрасль, обеспечивающая поставку топлива по системе трубопроводного (например, газопроводами) или автомобильного транспорта и энергосистема, реализующая на большой территории (область, регион или страна) в режиме единого функционирования и управления непрерывный процесс использования первичных энергоресурсов для производства, передачи, распределения и потребления электрической и тепловой энергии.
Первичные энергоресурсы, поступающие в энергосистему, имеют вид первичных энергоносителей или преобразуются к этому виду в процессе топливоподготовки (например, природный газ или мазут приводятся в систему заданных термодинамических параметров – температуры и давления, вода проходит стадию химводоподготовки – очищается от примесей и подогревается, уголь размельчается и т.д.). Первичные энергоносители - это подготовленные первичные энергоресурсы, пригодные для непосредственного технического использования в энергосистеме для выработки из них энергии. Выработанная в энергосистеме тепловая энергия, в свою очередь, передается потребителям по трубопроводному транспорту посредством вторичных энергоносителей, в качестве которых чаще всего используются водяной пар и теплофикационная вода (теплоносители). В качестве первичных и вторичных энергоносителей можно рассматривать и электроэнергию: в первом своем представлении она используется для работы энергоустановок энергосистемы, а во втором – как продукт энергетического производства, предназначенный для передачи потребителям.
В общем случае энергоносители можно определить как энергоресурсы, представленные в форме, позволяющей их непосредственное применение в технических системах энергосистем и потребителей для преобразования или использования содержащейся в них энергии.
|
Основными видами энергоносителей в сегодняшней малой и большой энергетике, а также у потребителей, являются жидкие и газообразные энергоносители (в частности, природный газ, мазут, вода, водяной пар и другие) и электроэнергия. Общей особенностью применения, передачи, распределения и потребления этих энергоносителей в энергосистемах и у потребителей является наличие стационарной территориально распределенной связной инфраструктуры, включающей генерирующие источники (электростанции, энергоустановки) и хранилища энергоносителей (нефте-, мазуто-, газо- и водохранилища), трубопроводный транспорт и линии электропередачи для магистральной и распределительной передачи энергоносителей, распределительные и преобразовательные станции и подстанции, пункты энергоснабжения и питающие ввода потребителей. Вся эта инфраструктура работает как единое целое под соответствующим общим оперативно-диспетчерским управлением и с необходимым соблюдением всех системных режимов функционирования. По существу такие энергетические системы подобны сложным организмам, жизнеспособность и эффективность которых зависит как от внутренних, так и внешних факторов.
Жидкие и газообразные энергоносители и электроэнергия широко используются во всех отраслях экономики, начиная от таких энергоемких, как металлургические, горнодобывающие и горноперерабатывающие, химические, машиностроительные и другие производства, и оканчивая жилищно-хозяйственным сектором, многоквартирными и индивидуальными жилыми домами. В условиях постоянного нарастающего дефицита и роста стоимости энергии и энергоносителей во всех отраслях актуален вопрос их измерения и учета с последующим управлением на основе полученных данных энергопотреблением как отдельных субъектов и отраслей хозяйствования, так и государства в целом. Завтрашний день, несомненно, сделает актуальным задачу управления энергопотреблением для союзов государств или, даже, для всего их планетарного содружества, а решение этой задачи будет достигаться путем создания глобальных автоматизированных систем контроля и учета энергоносителей (АСКУЭ).
Цель измерения, учета и управления выработкой и потреблением энергии и энергоносителей для любого индустриально развитого общества – это глобальная оптимизация энергопотребления, энергосбережение и обеспечение устойчивого экономического развития общества в эпоху наметившегося ограничения традиционных мировых энергоресурсов, бушующих энергетических кризисов и конфликтов, глобализации рынков энергоресурсов и существенного роста неблагоприятного техногенного воздействия человечества на экологию биосферы.
Справка
Статья не публиковалась ранее. Написана в 2008 г.