Эффективность энергосистем

В настоящее время во многих странах значительная часть тепловой и электрической энергии получается от сжигания углеродосодержащих горючих ископаемых – нефти, природного газа и угля, поэтому повышение эффективности такого производства энергии и увеличение кпд различного рода энергетических установок имеет очень большое значение. Если, к примеру, кпд паровых машин составляло всего 2–5%, то для большинства современных электростанций кпд превышает 30%. Это означает, что из каждой тонны топлива примерно 700 кг тратится на бесполезное нагревание воды, воздуха, деталей установки.

В последние десятилетия за счет оптимизации процессов и совершенствования технологического оборудования кпд энергетических установок удалось повысить примерно до 40%, что приближается к пределу в 44%, определяемому законами термодинамики. Следовательно, нужно искать новые способы производства энергии. Одним из перспективных способов превращения тепловой энергии в электрическую считается магнитогидродинамический (МГД) метод. В МГД–генераторе энергия электропроводящей среды (обычно низкотемпературной плазмы), движущейся в магнитном поле, непосредственно преобразуется в электрическую энергию. В таких генераторах ожидается получить кпд до 65%, однако реально данный показатель не превышает 40%, что и сдерживает их широкое промышленное применение.

Представляет интерес превращение химической энергии в механическую, которое реализуется при мышечной деятельности живых организмов. Это удалось испытать в лабораторных условиях: синтезирована пластмассовая пленка, которая под влиянием щелочей растягивается вдвое и увеличивается в объеме в 8 раз, а под действием соляной кислоты сокращается. В результате такой деформации пленки можно совершить полезную работу, например в виде поднятия груза. Для возбуждения сжатия и расширения в лабораторных моделях механизмов уже применялись белковые волокна в сочетании с растворами солей различных концентраций.

Прямое превращение химической энергии в электромагнитную происходит в сравнительно недавно созданных химических лазерах, в которых возбужденное состояние атомов достигается за счет энергии химических реакций, преобразующейся в энергию электромагнитного излучения. Производство электроэнергии сопровождается большими потерями. Существенные потери происходят и при передаче электроэнергии, особенно на большие расстояния. В последние десятилетия интенсивно ведутся работы по синтезу электропроводящих материалов проводников для передачи электроэнергии с минимальными потерями. Уже синтезированы высокотемпературные сверхпроводящие материалы, что является крупнейшим достижением естествознания. Вместе с тем для передачи электроэнергии наиболее практичны проводники, сверхпроводящее свойство которых проявлялось бы не при низких, а при обычных температурах. С большими потерями связано использование электроэнергии. Например, энергетический кпд для процесса синтеза аммиака составляет 25–42%, хотя потребление энергии для такого процесса за последние 50–60 лет уменьшилось более чем на 50%. Энергетический кпд для обычных способов получения винилхлорида равен 12%, а для его синтеза из NО – всего лишь 5–6,5%. В большинстве случаев на высокотемпературных процессах теряется до 60–70% энергии.

Потери энергии в химической промышленности во многих случаях обуславливаются объяснимыми объективными факторами, связанными с уровнем развития не только химии, но и естествознания в целом. Однако есть и субъективные причины. Одна из них заключается в том, что очень часто химики занимаются разработкой методов превращения веществ с высоким выходом конечной продукции, не придавая должного внимания разработке энергетически эффективных технологических процессов.
В результате получается, что для многих технологических процессов энергетический кпд сравнительно небольшой, а выход конечной продукции достаточно высок. Повышение энергетического кпд процессов и аппаратов – одна из важнейших задач химической промышленности. Возможны разные пути ее решения: улучшение условий химических реакций; уменьшение числа стадий технологического процесса; проведение реакций при обычных температурах и давлении окружающей среды; приближение химических процессов к биологическим и, наконец, разработка новых технологических приемов. Сохранение энергетических ресурсов – неотъемлемая задача всех отраслей материального производства.