ЛЕКЦИЯ 1 Файл

Лекция № __1___
ТЕМА: ВВЕДЕНИЕ. ВИДЫ ЭНЕРГИИ И СООТВЕТСТВУЮЩИЕ ИМ
НОСИТЕЛИ
План
1.
2.
3.
4.
5.
Периоды развития энергетики.
Виды энергии и соответствующие им носители.
Удельная весовая энергоемкость носителя энергии.
Классификация природных ресурсов.
Преобразование одного вида энергии в другой в естественных
условиях и в искусственной среде обитания людей.
Рекомендуемая литература
1. Веселовский О. Н. Энергетическая техника и ее развитие [Текст] :
учебное пособие для вузов / О. Н. Веселовский, Я. А. Шнейберг. – М.:
Высш. шк., 1976. – 304 с. : ил.
2. Веселовский О.Н., Шнейберг Я.А. Очерки по истории электротехники. –
М.: Издательство МЭИ, 1993. – 252 с.
3. Зорин В.М. Атомные электростанции [Электронный ресурс] : учебное
пособие для студентов вузов, обучающихся по специальности "Атомные
электрические станции и установки" направления подготовки
"Техническая физика" / В. М. Зорин. – М.: Издательский дом МЭИ, 2012.
– 672 с. – Загл. с домашней страницы Интернета. – Электрон. версия печ.
публикации. – http://nelbook.ru/.
4. Кудрин Б.И., Цырук С.А. Техноценологические основания науки об
электрическом хозяйстве потребителей электротехнической продукции и
электрической
энергии
и
мощности. Монография. Вып.
55.
"Ценологические исследования". – М.: Технетика, 2015. – 293 с.
5. Основы современной энергетики: учебник. В 2-х т./ под ред. Е.В.
Аметистова Т.1. : Современная теплоэнергетика/ под ред. А.Д. Трухния. –
М: МЭИ, 2008. – 472 с: ил.
6. Основы современной энергетики: учебник. В 2-х т./ под ред. Е.В.
Аметистова Т.2. : Современная электроэнергетика/ под ред. А.П.
Бурмана, В.А. Строева. – М.: МЭИ, 2008. – 632 с: ил.
7. Шнейберг Я.А. Титаны электротехники Очерки жизни и творчества. –
М.: Издательство МЭИ, 2004 г. – 270с.
Потребление энергии является обязательным условием существования
человечества. Наличие доступной для потребления энергии всегда было
необходимо для удовлетворения потребностей человека, увеличения
продолжительности и улучшения условий его жизни.
История цивилизации — история изобретения все новых и новых
методов преобразования энергии, освоения ее новых источников и в
конечном итоге увеличения энергопотребления.
Первый скачок в росте энергопотребления произошел, когда человек
научился добывать огонь и использовать его для приготовления пищи и
обогрева своих жилищ. Источниками энергии в этот период служили дрова и
мускульная сила человека. Следующий важный этап связан с изобретением
колеса, созданием разнообразных орудий труда, развитием кузнечного
производства. К XV в. средневековый человек, используя рабочий скот,
энергию воды и ветра, дрова и небольшое количество угля, уже потреблял
приблизительно в 10 раз больше, чем первобытный человек. Особенно
заметное увеличение мирового потребления энергии произошло за последние
200 лет, прошедшие с начала индустриальной эпохи, — оно возросло в 30 раз
и достигло в 2008 г. 14,3 Гт у.т/год. Человек индустриального общества
потребляет в 100 раз больше энергии, чем первобытный человек, и живет в 4
раза дольше.
В современном мире энергетика является основой развития базовых
отраслей промышленности, определяющих прогресс общественного
производства. Во всех промышленно развитых странах темпы развития
энергетики опережали темпы развития других отраслей.
1. Периоды развития энергетики. В начальный и очень длительный
период развития общества человек сам выполнял энергетические функции в
процессе производства, являясь единственным двигателем инструментов,
орудий и простейших технологических и транспортных машин. Позднее в
тех случаях, когда это представлялось осуществимым по характеру
производственного процесса и было экономически целесообразно, функции
двигателя были возложены на животных.
Таким
образом,
начальный
период
развития
энергетики
характеризуется исключительным использованием так называемой
мускульной силы или, точнее, биологической энергии человека и животных.
Это - первая ступень развития энергетики - период биологической
энергетики, или биоэнергетики.
Следующей, второй, ступенью в развитии энергетики явилось
применение энергии неживой природы. Первыми источниками этой энергии,
привлеченными к энергоснабжению производственных процессов, были
водные, а несколько позднее — воздушные потоки, приводившие в действие
водяные и ветровые колеса. Эти два вида энергоснабжения — и ветро- и
гидроэнергетика - характеризуют один и тот же исторический период
развития способа производства. Они не только совпадают по времени
преимущественно, но и однородны по своей физической сущности,
представляя собой непосредственное использование имеющихся в природе
источников механической энергии для приведения в движение
исполнительных машин. Поэтому при выделении качественно отличной
ступени развития энергетики целесообразно объединить родственные по
времени, характеру и физическому содержанию гидро- и ветроэнергетику,
обозначив их термином механическая энергетика.
Следующая, третья, ступень развития энергетики началась с
использования теплоты как источника «механической работы».
Теплоэнергетика возникла в начале XVIII в. в частной форме водоподъемных
двигателей и стала быстро развиваться с конца XVIII в. в связи с внедрением
в промышленность и транспорт универсального парового двигателя.
В конце XIX в. теплоэнергетика, являющаяся и в настоящее время
количественно преобладающей, получила, равно как и гидроэнергетика,
значительный стимул к ускоренному развитию благодаря производству
электрической энергии. Электрическая энергия не берется непосредственно из
природы, а вырабатывается на тепловых, гидравлических и других
электростанциях. Поэтому электроэнергетика как вторичная энергетика,
привлекаемая благодаря своей транспортабельности и трансформируемости в
другие виды энергии, не явилась самостоятельной, независимой формой
энергетики. Она не заменила первичные теплоэнергетику и гидроэнергетику, а
наоборот, стимулировала их дальнейшее, весьма ускоренное развитие,
знаменуя вместе с ними следующий, четвертый, период развития комплексной
энергетики.
Новым этапом в развитии энергетики явилась возникшая в середине
XX в. атомная энергетика, источником которой может служить искусственно
вызываемый распад тяжелых или соединение легких ядер атомов.
2. Виды энергии и соответствующие им носители. Последовательные
качественные ступени развития энергетики могут быть представлены
следующим кратким перечнем:
Биоэнергетика — использование в качестве источника механической
работы биологической энергии человека и животных.
Механическая энергетика — использование механической энергии
потоков воды и воздуха.
Теплоэнергетика — использование в качестве источника механической
работы теплоты, выделяющейся при сжигании топлива.
Современная комплексная энергетика
— преимущественное
использование в качестве первичной энергии тепловой и гидравлической, а в
качестве вторичной — электрической энергии.
Атомная энергетика — использование энергии ядерных реакций.
3. Удельная весовая энергоемкость носителя энергии. Для
перечисленных ступеней развития энергетики характерен некоторый
количественный показатель, свойственный каждому из отдельных форм
энергии.
Таким
показателем
является
УДЕЛЬНАЯ
ВЕСОВАЯ
ЭНЕРГОЕМКОСТЬ НОСИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ, выражаемая отношением
количества механической работы в килограммометрах (кГ-м) к единице веса
энергоносителя, т. е. в кГ-м/кг.
Для живых двигателей подобный показатель неприменим вследствие
особых форм восполняемости живого энергоносителя за счет биологической
энергии. Тем не менее, в отдельных случаях в косвенной форме
энергоемкость живых двигателей может быть успешно привлечена для
оценки исторических ступеней развития энергетики. Так, например, если для
современного океанского судна водоизмещением 80 000 т привлечь в
качестве двигателя людей, как это делалось в античном мире, то для
необходимой мощности 70 000 л. с. потребуется свыше 2 млн. гребцов (при
трехсменной работе), вес которых без багажа и запасов продовольствия в
несколько раз превысит вес самого судна.
Что касается энергоносителей неживой природы, то здесь показатель
удельной энергоемкости выражается достаточно точными цифрами и
позволяет не только объяснить исторические факты, но и сделать прогнозы
на будущее.
Носитель гидроэнергии - ВОДА - располагает запасом энергии в
зависимости от возможной высоты падения. Так, 1 кг воды может
располагать работой в 1, 10, 100, 1 000 кГ-м в зависимости от высоты
падения в 1, 10, 100, 1 000 м. Еще меньшей энергоемкостью обладает
носитель ветровой энергии - воздух, энергоемкость которого к тому же
постоянно и бессистемно изменяется в зависимости от скорости ветра.
Носитель тепловой энергии - ТОПЛИВО - обладает весьма высокой
энергоемкостью.
Удельная теплотворная способность топлива колеблется в пределах
2000-11000 ккал/кг.
Так как 1 ккал эквивалентна 427 кГ-м работы, то удельная
энергоемкость 1 кг топлива будет лежать в пределах 854000 — 4 697 000 кГм/кг, или в среднем равна 2 775 500 кГ-м/кг (для сопоставления без
значительной погрешности можно принять округленное значение 3 млн. кГ.м/кг). Даже если учесть, что КПД тепловых установок в среднем примерно в
3 раза ниже, чем КПД гидравлических, высокая энергоемкость горючего дает
выход практически реализуемой энергии, в десятки тысяч раз больший, чем
энергоемкость воды.
Энергоемкость электрической энергии является понятием несколько
условным, поскольку эта энергия вторичная, преобразуемая из других видов
энергии. Во всех случаях получения электроэнергии ее количество,
относимое к весу генерирующего устройства (паротурбогенератор,
дизельгенератор, гидрогенератор, гальваническая или аккумуляторная
батарея), незначительно. Поэтому с позиций удельной энергоемкости
электрическая энергия не играет такой роли, как тепловая, являющаяся в
настоящее время в силу высокой энергоемкости топлива монопольной для
водного и воздушного транспорта и преобладающей для наземного.
Использование ядерной энергетики с позиций удельной энергоемкости,
безусловно, знаменует громадный скачок к новой качественной ступени
развития энергетики.
Исчисленная удельная энергоемкость ядерного горючего выражается в
среднем в 8,5-1012 кГ-м/кг по ядрам тяжелых изотопов и 64-1012 кГ-м/кг по
термоядерным реакциям, что в миллионы раз превышает среднюю
энергоемкость обычного горючего. Даже если принять возможным
использование только 10% располагаемой энергии ядерного горючего,
энергоемкость носителей ядерной энергии более чем в миллион раз
превосходит энергоемкость обычных энергетических топлив.
Отсюда вытекает ряд новых качеств исключительной значимости.
Тысячи вагонов угля, потребляемого ежегодно тепловой электростанцией,
могут быть заменены несколькими десятками килограммов ядерного
горючего, и, таким образом, энергоемкий и дорогостоящий транспорт
больших количеств топлива может быть практически исключен. Намечается
грядущая эра совершенно независимой от лояльных условий энергетики,
когда каждый энергопотребляющий объект в промышленности, на
транспорте, в сельском хозяйстве и в быту сможет в любом месте
располагать громадными количествами необычайно концентрированной
атомной энергии, расходуемой в самых разнообразных целях: нагрева,
охлаждения, кондиционирования, связи, транспорта, привода орудий и
машин.
4. Классификация природных ресурсов. В историческом расширении
круга ресурсов, в случае неправильного их использования, кроме
потребностей человечества и его технических возможностей, есть еще и
другая логика: люди стремились заменить более дефицитные ресурсы менее
дефицитными, более рационально, с большей пользой использовать сырьё и
энергию.
С этой точки зрения естественные ресурсы можно разделить:
- на возобновляемые (восполнимые);
- невозобновляемые (невосполнимые);
- неисчерпаемые.
Многие ресурсы природы ВОЗОБНОВЛЯЮТСЯ естественным путем, в
ходе сложившегося на Земле круговорота веществ и энергии: пополняются
источники пресных вод и почвенной влаги, восстанавливаются леса и т.п.
При использовании возобновляемых ресурсов нужно учитывать скорость их
возобновления.
К НЕВОЗОБНОВЛЯЕМЫМ ресурсам относятся богатства недр.
Месторождения полезных ископаемых образовались давно - в прошлые
геологические эпохи, при других природных условиях. На их создание ушло
несколько миллиардов лет. Главные кладовые полезных ископаемых
находятся в Земной коре, и по мере их раскрытия и разработки богатых
месторождений становится меньше.
И все-таки с полезными ископаемыми положение человечества не
представляется угрожающим. Трудности с отдельными видами их носят
скорее местный характер. В целом открытые геологами запасы все время
значительно опережают потребности. Более того, многие очень крупные
месторождения еще ждут своей очереди: разрабатывать их в современных
условиях менее выгодно, чем другие более доступные.
Кроме того, чтобы бережливо использовать существующие
месторождения полезных ископаемых, требуется разработка новых
технологий. Например, при обычной откачке нефти свыше 50% ее остаётся в
пластах.
Для сбережения дефицитных невозобновляемых ресурсов важно
вовремя подобрать их более распространенный заменитель. А перспектива
здесь безгранична: ведь месторождения - это сгустки полезных веществ. В
качестве потенциальных ресурсов можно назвать все воды мирового океана и
природу Земли - в них в огромном количестве содержится вся таблица
Менделеева. На современном этапе не существует достаточно дешевых
технологий, позволяющих добывать полезные в энергетическом отношении
вещества непосредственно из воды, воздуха, почвы.
НЕИСЧЕРПАЕМЫЕ РЕСУРСЫ. Эту группу образуют самые
различные ресурсы: энергия Солнца, ветра, морских приливов, подземного
тепла, круговорот воды и т.д. При использовании этих "вечных" ресурсов
природы перед человечеством стоят чисто технические трудности.
Вполне вероятно, что ресурсы атомной энергии неисчерпаемы: уже сейчас
запасы урановых руд на сотни лет обеспечивают потребности человечества.
Не исключено, что люди научатся расщеплять природные вещества.
5. Преобразование одного вида энергии в другой в естественных
условиях и в искусственной среде обитания людей.
Человечество для жизни стремилось и стремится использовать всю
окружающую природу: энергию Солнца и недр Земли, воду и воздух,
растительность и животный мир, уже известные их запасы и то, что еще
предстоит открыть. На практике же люди используют не все многообразие
богатств природы, а только то, что соответствует их потребностям и
возможностям на данном уровне развития общества.
Первобытных людей было сравнительно мало на Земле, да и жили они
среди нетронутой природы. Но, несмотря на это, доступных им ресурсов
было немного: примитивными орудиями труда и охотой они могли добывать
для себя лишь готовую пищу. Съедая ее, люди поддерживали мускульную
энергию, которую они могли использовать. А каменный уголь, например,
был для них бесполезным блестящим камнем, менее ценным, чем твердый
кремень, пригодный для изготовления примитивных орудий.
Как распределяется и изменяется набор естественных ресурсов
наглядно видно на примере "топлива".
Тысячелетиями человек сжигал лишь растения. За счет их тепла он
обогревал жилье, готовил пищу, а потом стал плавить и закаливать металл.
До начала XIX века вся металлургия работала на древесном угле.
Развитие металлургии и появление паровых машин потребовало новых
источников топлива. Люди научились использовать каменный уголь, что
спасло леса от полного истребления. Да и каменный уголь стремятся все
меньше использовать как топливо - тепловые электростанции переводят на
низкие сорта мазута.
Еще в начале нашей эры люди были знакомы с маслянистой жидкостью
- нефтью, использовали ее в лечебных целях, а также жгли в светильниках.
Резко вырос спрос на нефть в связи с изобретением двигателя внутреннего
сгорания, и сейчас нефть и нефтепродукты стали главным топливом
человечества.
Во многих странах природные и попутные нефти газы не
использовались, а сжигались в "факелах" (грели воздух) - технологически не
умели ни собрать газ, ни транспортировать его на большие расстояния. Но
уже сейчас нефть и газ в больших количествах используется в
промышленности химического синтеза. Попутные газы при добычи нефти на
современном этапе могут собирать и транспортировать на любые
расстояния.
На смену бензину, дизельному топливу и другим источникам энергии
как "топливо" для ядерных реакторов идет атомная энергия.
Вопросы для самоконтроля
1) Дайте современное определение энергии.
2) Носителями какого вида энергии являются люди и животные?
3) Назовите природные носители механической энергии?
4) Что понимают под энергоресурсами?
5) Какие энергоресурсы называются возобновляемыми? Перечислите их в
порядке значимости в современном энергобалансе.
6) Какие энергоресурсы называются неисчерпаемыми?
7) Какую первичную энергию традиционно получают при преобразовании
невозобновляемых энергоресурсов?
8) Какой закон лежит в основе преобразования одного вида энергии в
другой? Представьте схематично процесс преобразования того или иного
вида энергии в другой.
9) Что понимают под энергетикой?
10) Что такое «удельная весовая энергоемкость носителя энергии»?