9.3.1 Прошлое и настоящее энергетики. Многие тысячелетия человек довольствовался весьма скромным источником энергии – собственной мускульной силой, расходуя примерно 2000 ккал/сут. По мере развития цивилизации потребность в энергии, особенно в механической, возрастала. Начали создаваться простейшие устройства, способные использовать естественные источники механической энергии, такие, как ветер, реки, ручьи. В XVIII -м веке человеческая мысль шагнула вперед – реки стали перегораживаться плотинами, а над кораблями поднялись паруса. Новой вехой стало освоение сжигаемых природных топлив для обогрева, приготовления пищи, обжига гончарных изделий, выплавки металлов из руд [7]. Следующий этап – использование тепла, выделяющегося при сжигании топлива в паросиловых установках. Это обеспечило крупное по тем временам производство механической энергии в любом месте, куда можно доставить топливо. А до этого заводы и фабрики строили рядом с плотинами. Именно создание паросиловых установок и других тепловых двигателей гарантировало успех промышленной революции XVIII-го века. Теперь каждое здание фабрики имело свою котельную и паровую машину. Появление легкого и компактного двигателя внутреннего сгорания позволило сконструировать тракторы, комбайны, автомобили, самолеты. Открытие электричества в XIX-м веке значительно увеличило энерговооруженность человечества. Электрическая энергия, легко передаваемая по проводам и трансформируемая в любой другой вид
136
энергии, сделала возможным переход к индивидуальному приводу каждого станка от своего мотора, а источник энергии находился сколь угодно далеко от места его потребления. К концу первой четверти XX-го века появились системы централизованного электроснабжения, а электрическая энергия все больше использовалась в быту, промышленности и сельском хозяйстве. Поиск новых форм энергии всегда остается одной из важнейших задач человечества. Энергии никогда не было в избытке и лишь в конце XX-го века на службу человечества поставлена мощная энергия атомного ядра, высвобождающаяся в ходе цепных реакций деления тяжелых элементов, таких как уран и плутоний. На очереди – промышленное освоение энергии синтеза легких ядер при очень высоких температурах – термоядерная. Известно, что 1 г дерева при сгорании дает столько энергии, чтобы лампа мощностью 100 Вт горела в течение 1 мин. На работу двух таких ламп потребуется 1 г угля. А один грамм урана дает примерно в 10 млн. раз энергии больше. Термоядерная же энергия из 1 г дейтерия (изотоп водорода) выделяет 3000 тут (тонн условного топлива). 9.3.2 Атомная энергетика. Об успешной работе первой в мире атомной станции мощностью всего в 5 МВт стало известно в 1955 г. За прошедшие неполные 50 лет атомная энергетика шагнула вперед. Резко возросли мощности АЭС (рисунок 9.1). Только за период с 1981 по 1985 г.общая мощность вновь введенных АЭС составила 103307 МВт, а общая установленная мощность всех стран мира (без стран СЭВ) составляла уже 231327 МВт. Лидером развития атомной энергетики являются США, мощность АЭС в которой по состоянию на начало 1986 г составляла 85075; Франция – 39520; Япония – 24625 МВт. В СССР за период 1981-1985 гг построено и пущено в эксплуатацию АЭС на общую мощность 12940 МВт, а общая мощность АЭС на начало 1986 г. составляла 28,4 млн. МВт. На территории России имеется немало регионов с весьма сложным топливно-энергетическим балансом (Урал, Северозапад, северная Якутия, Дальний Восток, Камчатка и пр.), для которых развитие атомной энергетики является практически единственным выходом для решения энергообеспечения.. Гигантские ежегодные затраты на завоз топлива в северные регионы можно сократить лишь при строи
137
тельстве АЭС в этих трудно- доступных местах. Однако сложное экономическое положение современной России не позволяет быстро решить эту проблему.
Рисунок 9.1 – Изменение установленной мощности АЭС мира с 1954 - 1985 гг.
9.3.3 Потребление энергии. В прошедшем веке коренным образом изменилась техника и экономичность использования различных видов топлива, что связано в первую очередь с огромными масштабами концентрации производства всех видов энергии. Особенно значительно растут производство и потребление электроэнергии. Действительно, технический прогресс во всех отраслях народного хозяйства неразрывно связан с электрификацией страны, осуществляемой на основе резкого повышения экономичности производства, передачи и распределения электроэнергии и широкого ее применения не только для получения механической энергии, но и для термических и химических процессов. Здесь уместно будет отметить, что 8 % мировой выработки электрической энергии расходуется на производство алюминия. Структура потребления электроэнергии различна по странам (таблица 9.10). За последние десятилетия существенно изменились представления о количестве и качестве природных топливно-энергетических ресурсов России и о технических возможностях и эффективных направлениях их использования, что вызвано:
138
Таблица 9.10 - Потребление электроэнергии в США и России в % от общей выработки [8]
Отрасль США Россия Промышленность Транспорт Сельское хозяйство Сфера обслуживания и быта, реклама Потери и пр. 39,5 0,2 4,2 44,5 11,6 58,6 7,2 5,2 13,5 15,5
резким увеличением разведки недр, совершенствованием методов глубинного бурения, что позволяет вовлечь в топливноэнергетический баланс новых запасов нефти и природного газа – дешевых и наиболее качественных видов топлива; открытием мощных угольных месторождений, доступных для разработки открытым способом, и быстрым совершенствованием техники вскрышных работ, что позволяет широко развернуть в ряде районов России добычу дешевых углей; совершенствованием и удешевлением методов передачи энергии и транспорта топлива, сделавших доступными для использования ряд мощных высокоэкономичных ресурсов топлива и гидроэнергии, расположенных в удаленных и ранее слаборазвитых районах. Кроме того, открытие и постепенное освоение новых энергетических ресурсов – энергии распада тяжелых ядер урана и тория – существенным образом усиливают энергетическую базу России. Вместе с тем правильный выбор видов энергии и планирование топливно-энергетических ресурсов для отдельных энергетических и технологических установок (электростанций, котельных, промышленных печей и т.п.) невозможны без предварительного определения тех основных потребителей, у которых целесообразно использовать электроэнергию, газ и тепло от электростанций. Нельзя также правильно выбирать размещение крупных тепловых электростанций и их топливную базу без предварительного определения относительной экономичности передачи газа, нефти, нефтепродуктов, электроэнергии, транспорта твердого топлива, а иногда и без выбора размещения и схем топливоперерабатывающих заводов и углеобогатительных фабрик.
139
С другой стороны массовое развитие автомобильного и авиационного транспортов, а также тепловозной тяги на железных дорогах, изменяет потребность в светлых нефтепродуктах, а следовательно, и баланс мазута. Иными словами, в настоящее время оптимальные уровни народнохозяйственного развития топливной промышленности и энергетики могут быть найдены лишь при рассмотрении в органически едином комплексе всех процессов от энергетических ресурсов до приемников энергии включительно. 9.3.4 Составление и анализ топливно-энергетического баланса. При составлении топливно-энергетического баланса разделяют его расходную и приходную части. Расходная часть топливно-энергетического баланса определяет оптимальные пропорции развития различных типов энергетических установок для удовлетворения отдельных энергопотребляющих процессов. Это требует обоснованного решения двух основных задач: 1 - выбора рациональных видов энергии (электроэнергия, пар, горячая вода) и топлива (газ, жидкое, твердое топливо), обеспечивающих отдельные энергопотребляющие процессы; 2 - выявление рационального уровня использования и экономически допустимых потерь при потреблении электроэнергии, тепла и топлива. Приходная часть топливно-энергетического баланса определяет оптимальные пропорции производства различных видов топливно-энергетических ресурсов и их использование в отдельных энергетических установках. При анализе и планировании топливно-энергетических балансов важно установить идентичность принимаемых единиц измерения, так как приходится соизмерять различные виды топлива и энергии. Поэтому должна быть принята наиболее универсальная единица. Таковой является 1 ккал или, что более удобно, 1 Гкал, которую можно заменить 1 тут, т.к. она равна 7 Гкал. Вместе с тем при измерении различных видов энергии нельзя не учитывать закона превращения тепла в работу. Поэтому, например, гидроэнергоресурсы следует соизмерять с топливом не по физическому эквиваленту (1 кВт·ч = 860 ккал = 3600 кДж), а с учетом достигнутого КПД на данном этапе развития энергетики. Так, например, в 1970 г рекомендовалось вводить гидроэлектроэнергию в топливно
140
энергетический баланс по эквиваленту – 1 кВт·ч = 0,4 кг. у.т. = 2800 ккал, а ядерное горючее – по выработке тепла реактором. Целью анализа топливно-исполнительного баланса является, в частности, выявление экономически оправданных потерь и резервов повышения уровня топливо- и энергоиспользования. Многочисленные данные свидетельствуют, что непроизводительные потери тепла и топлива достигают около 30 % от всего потребляемого топлива и распределяются между отдельными энергетическими установками следующим образом: потери, связанные с использованием паровой тяги на транспорте – 40 %; потери от недостаточного использования вторичных энергоресурсов всех видов – 20 %; потери от несовершенства эксплуатации и наличия морально устаревшего оборудования на электростанциях и в электрических сетях – 20 %; потери от несовершенства эксплуатации и морального износа промышленных котельных – 10 %; потери от несовершенства эксплуатации и морального износа городских отопительно-бытовых устройств – 10 %.
