Сторінка
1

Матеріально-енергетичні баланси промислового виробництва і шляхи вирішення еколого-виробничих проблем

Промислова енергетика та її техніко-економічні й екологічні проблеми розвитку

Економічну доцільність експлуатації тієї чи тієї технології конверсії енергії зумовлено співвідношенням частини отриманої чистої енергії А до частини, яка повертається для забезпечення процесу конверсії енергії Б («енергетичного штрафу»). Концепція чистого виходу будь-якої енергії ілюструється схемою рис. 45.

За цією концепцією економічно виправданим виробництво енергії може бути тільки у разі відношення А/Б 2. Розрахунок показує, що коли видобуток, тобто глибинне буріння свердловини і викачування 1 t нафти забирає понад 300 kW·h електроенергії, то навряд чи за таких умов можна вирішити проблему бра­ку енергії за рахунок видобутої нафти. Отже, з економічного погляду, питання не в тім, яка питома теплота горіння нафти чи скільки енергії виділяється за розщеплення ядер урану, а скільки з таких енергетичних джерел після того, як буде виплачений весь «енергетичний штраф» і витрачено енергію на екологічні заходи й охорону здоров’я людей, залишиться для використання в промисловості й побуті.

Виходячи з цих еколого-економічних положень, проаналізуємо конкретні сучасні технологічні системи конверсії різних форм енергії. Але спочатку нагадаємо теоретичний аспект проблеми.

За першим законом термодинаміки, передача енергії системі чи від системи може відбуватись у двох формах: у формі теплоти q і роботи W. Відповідно до цього внутрішня енергія системи U, від якої передається енергія, зміниться на:

(1)

У промисловій енергетиці ми переважно маємо справу з формою роботи, зв’язаною із розширенням системи. Наприклад, пара (Н2О) до енергетичної турбіни електроагрегату надходить під тиском 50 МРа і виходить з турбіни з тиском, близьким до атмосферного. Отже, об’єм системи збільшується майже в 500 разів. При цьому виконана робота визначатиметься з рівняння:

(2)

де Р0 — зовнішній тиск, а V — зміна об’єму. Оскільки система пари виконує роботу над системою турбіни, то внутрішня енергія пари зменшується, що відповідає від’ємному знаку.

Другий приклад: згоряння пального у двигуні внутрішнього згоряння. Так, за повного згоряння в циліндрі двигуна одного умовного моля (С6Н14) рідкого пального (близько 100 cm3) за реакцією 2С6Н14 + 19О2 = 12СО2 + 14Н2О на кожний моль рідкого палива утворюється 13 молей газу. Оскільки за законом Авогадро кожний моль будь-якого газу займає об’єм у 22,4 літра (22,4·103 cm3), то сумарний об’єм утвореного газу (без урахування температури) буде в разів більший, ніж об’єм рідкого пального. Відповідно до такої схеми корисну роботу згоряння пального можна було б оцінити за формулою (2).

У нашому прикладі з двигуном внутрішнього згоряння робота виконується хімічною системою тільки за рахунок збільшення об’єму системи (2). Якщо в (1) підставимо значення W з (2), то одержимо

(3)

де q — саме та частка зміни внутрішньої енергії , яка не реалізується в енергію роботи, а відображує перетворення її на теплову енергію нагрівання системи двигуна й вихлопних газів

З відомої нам формули , розглянутої в розділі другого закону термодинаміки, коефіцієнт корисної дії — зростатиме зі збільшенням різниці між температурою в камері згоряння і температурою вихлопних газів (tн – tх).

Виникає питання, чим саме зумовлено різницю tн і tх? Відповідь на це питання розглянемо далі.

Якість енергії: техніко-економічна та екологічна характеристика енергоносіїв

У розділі, присвяченому термодинаміці, ми вже обговорювали це питання стосовно природничих процесів конверсії енергії, характеризуючи якість енергії як її концентрованість. Що вища така характеристика енергії, то вищою буде її здатність перетворюватись з меншими витратами в більш концентровану форму.

Встановлено (за Одумом), що з кожних 10 000 J сонячної енергії, яка надходить на фотосинтез рослини, остання концентрує в більш якісній формі міжатомного хімічного зв’язку біомаси лише одну соту — 100 J, з яких, у свою чергу, може бути конвертовано в енергію біомаси травоїдної тварини вже одну десяту — 10 J, і хижака — 1 J.

Другий напрямок концентрованості енергії рослинної біомаси — це її послідовна концентрація у вигляді природних горючих копалин, що їх використовує сучасна економіка як енергоносії (торф, вугілля, нафта і газ).

На рис. 46 наведено схему послідовної конверсії сонячної енергії в електричну відповідно до сучасної технології з ланкою теплової електростанції.

Рис. 46. Схема енергетичних втрат за послідовної конверсії сонячної енергії в електричну й підвищення її якості

Як бачимо, концентрація електричної енергії у 8000 разів перевищує сонячну. Кількісну характеристику якості енергії (коефіцієнт) можна виражати в сонячних еквівалентах Кс = Ес/Ек, де Ес — сонячна енергія, яка надійшла на конверсію; Ек — енергія, отримана в процесі прямої чи послідовної конверсії.

Іншою, більш практичною характеристикою якості енергії, може бути еквівалент умовного викопного палива Кп (відношення сонячного еквівалента даної енергії до сонячного еквівалента умовного палива):

Коефіцієнт Кп характеризує ступінь концентрації енергії у даному паливі відносно її концентрації в умовному паливі. Значення еквівалентів Кс і Кп для різних видів енергоносіїв наведено в табл. 25.

Таблиця 25

КОЕФІЦІЄНТИ ЯКОСТІ ЕНЕРГІЇ (ЕКВІВАЛЕНТИ) І КОНВЕРСІЇ (ВЗАЄМОПЕРЕТВОРЕННЯ)