1. Состояние и перспективы использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии

Традиционные и нетрадиционные источники энергии

При существующем уровне научно-технического прогресса энергопотребление может быть покрыто лишь за счет использования органических топлив (уголь, нефть, газ), гидроэнергии и атомной энергии на основе тепловых нейтронов. Однако, по результатам многочисленных исследований органическое топливо к 2020 г. может удовлетворить запросы мировой энергетики только частично. Остальная часть энергопотребности может быть удовлетворена за счет других источников энергии - нетрадиционных и возобновляемых.

Возобновляемые источники энергии - это источники на основе постоянно существующих или периодически возникающих в окружающей среде потоков энергии. Возобновляемая энергия не является следствием целенаправленной деятельности человека, и это является ее отличительным признаком.

Невозобновляемые источники энергии - это природные запасы веществ и материалов, которые могут быть использованы человеком для производства энергии. Примером могут служить ядерное топливо, уголь, нефть, газ. Энергия невозобновляемых источников в отличие от возобновляемых находится в природе в связанном состоянии и высвобождается в результате целенаправленных действий человека.

В соответствии с резолюцией № 33/148 Генеральной Ассамблеи ООН (1978 г.) к нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии относятся: солнечная, ветровая, геотермальная, энергия морских волн, приливов и океана, энергия биомассы, древесины, древесного угля, торфа, тяглового скота, сланцев, битуминозных песчаников и гидроэнергия больших и малых водотоков. Классификация НиВИЭ представлена в таблице 1.

Таблица 1.

Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии
Источники первичной энергии	Естественное преобразование энергии	Техническое преобразование энергии	Вторичная потребляемая энергия
Земля	Геотермальное тепло Земли	Геотермальная электростанция	Электричество
Солнце	Испарение атмосферных осадков	Гидроэлектростанции (напорные и свободнопоточные)	Электричество
	Движение атмосферного воздуха	Ветроэнергетические установки	Электричество
	Морские течения	Морские электростанции	Электричество
	Движение волн	Волновые электростанции	Электричество
	Таяние льдов	Ледниковые электростанции	Электричество
	Фотосинтез	Электростанции на биомассе	Электричество тепло
		Фотоэлектричество	Электричество
Планеты	Приливы и отливы	Приливные электростанции	Электричество

Начиная с 90-х годов по инициативе ЮНЕСКО при поддержке государств-членов ООН и заинтересованных организаций, проводятся мероприятия по продвижению идеи широкого использования возобновляемых источников.

Запасы и динамика потребления энергоресурсов, политика России в области нетрадиционных и возобновляемых источников энергии

Потенциальные возможности нетрадиционных и возобновляемых источников энергии составляют, млрд. т.у.т в год:

– энергии Солнца - 2300;

– энергии ветра - 26,7;

– энергии биомассы - 10;

– тепла Земли - 40000;

– энергии малых рек - 360;

– энергии морей и океанов - 30;

– энергии вторичных низкопотенциальных источников тепла - 530.

Разведанные запасы местных месторождений угля, нефти и газа в России составляют 8,7 млрд. т у.т., торфа - 10 млрд. т у.т.

По имеющимся оценкам, технический потенциал возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в России составляет порядка 4,6 млрд. т. у.т. в год, что превышает современный уровень энергопотребления России, составляющий около 1,2 млрд. т у.т. в год. Экономический потенциал НиВИЭ определен в 270 млн. т у.т. в год, что составляет около 25% от годового внутрироссийского потребления. В настоящее время экономический потенциал ВИЭ существенно увеличился в связи с подорожанием традиционного топлива и удешевлением оборудования возобновляемой энергетики за прошедшие годы.

Доля возобновляемой энергетики в производстве электроэнергии составила в 2002 г. около 0,5% от общего производства или 4,2 млрд. кВт·ч, а объем замещения органического топлива - около 1% от общего потребления первичной энергии или около 10 млн. т у.т. в год.

Положительным фактором для развития НиВИЭ в России является начавшееся создание законодательной базы. Так, Законом «Об энергосбережении» в 1996 г. установлена правовая основа применения электрогенерирующих установок на НВИЭ, состоящая в праве независимых производителей этой электроэнергии на подсоединение к сетям энергоснабжающих организаций. Государственной Думой и Советом Федерации принят Закон «О государственной политике в сфере использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии». Этот правовой акт устанавливает минимально допустимые в современных условиях экономические и организационные основы развития. Ведется разработка федеральной программы по использованию НиВИЭ. Предполагается развивать производственные мощности оборудования нетрадиционной энергетики, на что будет выделено 1,315 млрд. рублей: 17% из федерального бюджета, остальные - из региональных и местных бюджетов.

В мае 2003 г. на рассмотрение правительства России вынесена «Энергетическая стратегия России на период до 2020 г.». Одним из направлений данного документа является рассмотрение возможностей использования возобновляемых источников энергии.

Стратегическими целями использования возобновляемых источников энергии и местных видов топлива являются:

– сокращение потребления невозобновляемых топливно-энергетических ресурсов;

– снижение экологической нагрузки от топливно-энергетического комплекса;

– обеспечение децентрализованных потребителей и регионов с дальним и сезонным завозом топлива;

– снижение расходов на дальнепривозное топливо. Необходимость развития возобновляемой энергетики определяется ее ролью в решении следующих проблем:

– обеспечение устойчивого тепло- и электроснабжения населения и производства в зонах децентрализованного энергоснабжения, в первую очередь в районах Крайнего Севера и приравненных к ним территориях. Объем завоза топлива в эти районы составляет около 7 млн. т. нефтепродуктов и свыше 23 млн. т угля;

– обеспечение гарантированного минимума энергоснабжения населения и производства в зонах централизованного энергоснабжения, испытывающих дефицит энергии, предотвращение ущербов от аварийных и ограничительных отключений;

– снижение вредных выбросов от энергетических установок в городах и населенных пунктах со сложной экологической обстановкой, а также в местах массового отдыха населения.

В последнее время растет интерес к нетрадиционной энергетике у региональных АО-энерго и местных администраций.

Оценки показывают, что к 2010 г. может быть осуществлен ввод в действие около 1000 МВт электрических и 1200 МВт тепловых мощностей на базе возобновляемых источников энергии при соответствующей государственной поддержке.

Основные объекты нетрадиционной энергетики России

Остановимся теперь подробнее на действующих и строящихся энергоустановках возобновляемой энергетики. На рис. 1 приведена карта России с указанием на ней мест расположения наиболее крупных объектов возобновляемой энергетики.

Рисунок 1. Расположение объектов нетрадиционной и возобновляемой энергетики на территории России.

Россия располагает большими потенциальными запасами геотермальной энергии в виде парогидротерм вулканических районов и энергетических термальных вод с температурой 60-200°C в платформенных и предгорных районах. В 1967 г. на южной оконечности Камчатки была создана первая в стране Паужетская ГеоТЭС мощностью 5 МВт, доведенная впоследствии до мощности 11 МВт. Пробуренные в Паужетской геотермальной системе несколько десятков скважин в суммарном объёме производят пароводяную смесь в количестве, достаточном для расширения Паужетской ГеоТЭС до 25 МВт.

Экономический кризис 90-х годов сказался и на сфере использования НиВИЭ. Несмотря на это удалось сохранить научно-технический потенциал и освоить выпуск новой продукции. Так на ОАО «Калужский турбинный завод» производятся конденсационные блок-модульные ГеоТЭС мощностью 4 и 20 МВт. Три таких блока «Туман-4К» по 4 МВт смонтированы на Верхне-Мутновской ГеоТЭС на Камчатке. В качестве теплоносителя используется пар Мутновского месторождения давлением 0,8 МПа. Строительство Верхне-Мутновской ГеоТЭС было начато в 1995 г. и завершено в 1999 г. В настоящее время мощность введенной в эксплуатацию ГеоТЭС составляет 12 МВт.

На Мутновской ГеоТЭС, проектная мощность которой составляет 80 МВт, будут установлены 4 энергомодуля «Камчатка-20» мощностью по 20 МВт. Строительство ГеоТЭС начато в 1992 г. на 2х площадках, на каждой из которых располагается главный корпус с двумя энергоблоками.

В 1989 г. на Северном Кавказе была создана опытная Ставропольская ГеоТЭС с использованием двухконтурных энергоустановок. В качестве теплоносителя применяется термальная вода с температурой 165 °C, добываемой с глубины 4,2 км. Технологическая схема ГеоТЭС была разработана в ЭНИН им. Кржижановского.

Кроме указанных геотермальных теплоэлектростанций разработан проект и выполнено технико-экономическое обоснование Океанской ГеоТЭС на о. Итуруп в Сахалинской области суммарной мощностью 1-й и 2-й очередей 30 МВт. Находится в эксплуатации Курильская ГеоТЭС мощностью 0,5 МВт.

Месторождения парогидротерм имеются в России только на Камчатке и Курилах, поэтому геотермальная энергетика не может играть значительную роль в масштабах страны в целом. Но для указанных районов, энергоснабжение которых целиком зависит от привозного топлива, геотермальная энергетика способна радикально решить проблему энергообеспечения.

В свое время в бывшем СССР широкое распространение получили малые ГЭС, которые затем были законсервированы или списаны. Сейчас есть предпосылки возврата к малым ГЭС на новой основе, за счет производства современных гидроагрегатов мощностью от 10 до 5860 кВт. В настоящее время действуют около 50 микроГЭС мощностью от 1,5 до 50 кВт, в том числе каскад ГЭС на р. Толмачева мощностью трех очередей около 45 МВт.

В области ветроэнергетики созданы образцы отечественных ветроэнергетических установок (ВЭУ) мощностью 250 и 1000 кВт, находящиеся в опытной эксплуатации. Налаживается сотрудничество с зарубежными организациями и фирмами, имеющими большой опыт в этой области.

Недалеко от г. Элиста планируется строительство крупной Калмыцкой ВЭС, проектная мощность которой составляет 23 МВт. Первая очередь была построена на базе ВЭУ «Радуга-1» мощностью 1,0 МВт и с июля 1995 г. подключена к энергосистеме Калмыкии. Установка работает в круглосуточном режиме.

В Ростовской области в составе «Ростовэнерго» работает ВЭС, известная как ВЭС-300. В ее составе 10 ВЭУ мощностью по 30 кВт каждая. ВЭУ предоставила немецкая компания HSW в рамках проекта «Эльдорадо Винд».

Заполярная ВЭС мощностью 1,5 МВт (г. Воркута) успешно эксплуатируются с 1993 года. Она построена на базе шести установок АВЭ-250 российско-украинского производства мощностью 200-250 кВт каждая.

В июле 2002 г. при поддержке датской компании «SЕАS Energi Service A.S.» состоялось открытие крупной ВЭС возле поселка Куликово Калининградской области. Куликовская ВЭС состоит из 21 ВЭУ датского производства мощностью 225 кВт каждая, суммарная мощность составляет 5,1 МВт. В дальнейшем планируется создание в Калининградской области первой коммерческой ветроэлектрической станции морского базирования мощностью 50 МВт. Ветропарк будет построен в 500 метрах от берега на шельфе Балтийского моря.

Подготовлено технико-экономическое обоснование Приморской ветровой электростанции общей мощностью 30 МВт. В качестве основного технологического оборудования приняты комплексные автоматизированные ВЭУ фирмы «Радуга» единичной мощностью 250 и 1000 кВт, поставляемые заводом укрупненными блоками максимальной заводской готовности. ВЭС будет размещается на мысе Лукина, где планируется установить 80 ВЭУ мощностью 250 кВт, и на мысе Поворотном - 10 ВЭУ мощностью 1,0 МВт.

Кроме перечисленных ВЭС в эксплуатации находятся до 1500 ветроустановок различной мощности (от 0,08 до 30 кВт).

В России в настоящее время работают несколько комплексов с биогазовыми установками, среди них: в Подмосковье - птицефабрика «Новомосковская», животноводческая ферма «Поярково» агрофирмы «Искра» Солнечногорского района Московской области, Сергачевская птицефабрика в Нижегородской области. В Российской отраслевой программе «Энергосбережение в АПК» на 2001-2006 годы в разных областях запланировано строительство 126 биогазовых установок. Кроме этого имеются технические разработки по использованию биогаза в качестве автомобильного топлива.

В восьмидесятые годы в Крыму была построена первая экспериментальная солнечная электростанция СЭС-5 мощностью 5 МВт с термодинамическим циклом преобразования энергии, а также экспериментальный комплекс сооружений с солнечным тепло- и хладоснабжением. В 60-70-е годы появились также фотоэлектрические установки автономного электроснабжения. К концу 80-х годов в бывшем СССР в эксплуатации находились солнечные установки горячего водоснабжения с общей площадью около 150 тыс. м², а производство солнечных коллекторов доходило до 80 тыс. м² в год.

В 1968 г. в Кислой губе на побережье Баренцева моря появилась экспериментальная Кислогубская приливная электростанция ПЭС мощностью 0,4 МВт, на строительстве которой был впервые использован отечественный прогрессивный метод наплавного строительства плотины. На ПЭС был установлен один обратимый капсульный агрегат французской фирмы «Нейрпик». Кислогубская ПЭС является научной базой ОАО «Научно-исследовательский институт энергетических сооружений». В последние годы станция не эксплуатировалась, но июне 2003 г. руководством Мурманской области и РАО «ЕЭС России» принято совместное решение о ее восстановлении. Гидроагрегаты для восстановления станции и увеличения ее мощности заказаны на предприятии «Звездочка» г. Северодвинск Архангельской области.

В качестве перспектив развития приливной энергетики в России следует отметить проекты Мезенской ПЭС на Белом море (19200 МВт), Тугурской ПЭС на Охотском море (7980 МВт). Колоссальные мощности проектируемых ПЭС, обусловленные природными условиями, требуют большого числа (по нескольку сотен) гидроагрегатов на каждой станции, длительных сроков строительства, огромных капиталовложений как непосредственно в строительство ПЭС, так и в мероприятия по их адаптации в рамках энергосистемы). Все это делает создание этих ПЭС предметом отдаленного будущего.

2.ЭНЕРГИЯ. ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ НА ЗЕМЛЕ.

Энергия – одна из скалярных характеристик движения материи. Каждой форме движения материи соответствует свой вид энергии. Фундаментальными законами материального мира являются законы сохранения материи и энергии. В энергетике закон сохранения энергии называют первым законом термодинамики. Каждое тело обладает большим запасом энергии, общее количество которой можно подсчитать по известной формуле

, кДж (1)

где Е – полный запас энергии

m – масса тела,

c – скорость света,

E_внеш – внешняя энергия,

E_внутр – внутренняя энергия,

E₀ – энергия массы покоя,

E_кин – кинетическая энергия

E_пот – потенциальная энергия.

Кинетической называют энергию механического движения, потенциальной – энергию взаимодействия тела с силовыми полями.

Используя формулу (1) можно подсчитать, что одному грамму массы соответствует энергия, равная 10¹¹ кДж или 26∙10⁶ кВтч. Процессы превращения внутренней энергии тела во внешние формы будем называть освобождением энергии. При химических реакциях освобождается 5∙10^-9 от общего запаса энергии тела. При ядерных реакциях –0,09%, при термоядерных –0,65%.

Наиболее эффективным представяется процесс освобождения энергии при аннигиляции электрона и позитрона. Но и при этом вся масса не может быть превращена в энергию, так как в результате аннигиляции получается фотон – материальная категория.

Основные закономерности взаимного превращения различных видов энергии изучает термодинамика, базирующаяся на двух законах.

I закон термодинамики, являясь всеобщим, балансовым законом, показывает два пути выхода освобожденной внутренней энергии

, (2)

где - изменение внутренней энергии тепла,

q - количество тепла,

l – количество работы.

Здесь под теплом и работой понимают две формы передачи энергии.

II закон термодинамики определяет направление самопроизвольных процессов. Важным следствием второго закона является то, что изолированная система стремится (приходит) к наиболее вероятному состоянию, то есть упорядоченное движение само собой стремится перейти в неупорядоченное, а концентрированная энергия рассеивается. Рассеивание (диссипация) энергии происходит главным образом путем превращения всех видов энергии в тепло, последующее превращение которого в полезные (упорядоченные) виды энергии ограниченно коэффициентом полезного действия обратимого цикла.

, (3)

где q₁ – тепло, подводимое к рабочему телу, кДж,

q₂ – тепло, творимое от рабочего тела в окружающую среду, кДж.

Во всех превращениях энергии максимальный выход ее получается при обратимых процессах и равен убыли термодинамического потенциала рассматриваемой термодинамической системы.

Потребителю необходимы следующие виды энергии:

• Механическая (промышленность, сельское хозяйство, быт);

• Электрическая в небольших количествах для связи и для работы разнообразных приборов;

• Световая, звуковая, химическая, ядерная и прочие.

Нужно отметить особую роль электрической энергии. Ее легко передавать, распределять между потребителями и превращать в другие виды, нужные потребителю энергии. Поэтому энергетика народного хозяйства развивается на базе электроэнергетики.

Основными источниками энергии на Земле являются:

• Солнце (излучение, попадающее на Землю);

• Внешняя энергия некоторых тел на Земле (потоки воздуха и воды, обладающие запасом механической энергии);

• Вещества - носители высококонцентрированной внутренней энергии, которая может освобождаться в химических и ядерных реакциях. Эти вещества носят название топлив (органического и ядерного).

Можно представить следующие схемы превращения энергий топлив. Для органического топлива: химическая энергия – внутренняя – тепло. Ядерное топливо: ядерная – внутренняя – тепло. Первая схема реализуется при химических реакциях, вторая – при ядерных;

• Вещества, способные к аннигиляции. В настоящее время пока не известны случаи искусственного получения энергии при аннигиляции вещества.

Все источники энергии на земле можно разделить на невозобновляемые и возобновляемые. Ориентировочные запасы этих источников приведены в таблице 2.

Таблица 2. Источники энергии на Земле и запасы энергии.

Вид энергии	Запасы 10-15 кВтч
Невозобновляемые источники Ядерная энергия (деления) Химическая горючих веществ Внутреннее тепло Земли	547 55 0,134
Возобновляемые источники Солнечного излучения Морских приливов Ветра Рек	580 70 1,7 0,018

На основании закона сохранения энергии все ее виды взаимопревращаемы, что иллюстрируется схемой (рисунок 2).

Устройства для взаимного превращения энергий называют преобразователями энергии или, генераторами энергии. Они делятся на простые, в которых осуществляется одно превращение, и комбинированные или сложные, в которых можно выделить два или более превращений энергий. Пример простого преобразователя: топка, печь, в которых химическая энергия превращается в тепло, отдаваемое потребителю. Пример сложного преобразователя: теплоэнергетическая установка (ТЭУ), в которой цепочка превращений выглядит следующим образом: химическая энергия топлива – тепло – внутренняя энергия рабочего тела – механическая энергия – электрическая энергия.

Для всех преобразователей энергии общими являются следующие характеристики:

1. Коэффиициент полезного действия преобразователя:

(4)

где W_и, E_ист - подведенная энергия, энергия источника.

W_п, E_полез – полезная энергия, энергия, отданная потребителю.

2. Мощность преобразователя (N_п):

(5)

где - время работы преобразователя, при котором было отпущено W_п .

3. Режим работы преобразователя: стационарный, пульсирующий.

С точки зрения термодинамики все преобразователи являются частью соответствующих термодинамических систем, в которых можно выделить следующие функциональные части:

1. источники энергии.

2. Рабочее тело, с которым осуществляется непрерывный процесс (цикл). Рабочее тело может представлять собой совокупность заряженных частиц (ионы, плазмы, электроны). Рабочее тело в зависимости от схемы преобразователя может быть заранее приготовленным или приготовляться в процессе работы преобразователя (ракеты, ГТУ по разомкнутой схеме).

3. Сам преобразователь – машина или аппарат, в котором осуществляются процессы преобразования энергии. Преобразователь изготавливается из конкретных материалов и имеет определенную конструкцию.

Разнообразные преобразователи энергии имеют общую территорию – общую термодинамику. Основоположниками этой науки были Г.Гельмгольц, который сводил процессы преобразователя к механическим, В.Освальд – основоположник энергетических понятий. М.Планк в термодинамике объединил все рациональное из теории Г.Гельмгольца и В.Освальда и ввел понятие энтропии. Л.Больцман разработал аналитический аппарат феноменологической теории. Д.Гиббс использовал методы статистики для обоснования и расчета основных положений термодинамики. Э.Шредингер развил квантовую теорию, исследовал необратимые процессы, начал изучать биоэнергетику.

Большой вклад в развитие термодинамики внесли русские и советские ученые (Ломоносов М.В., Менделеев Д.И., Шухов В.Г., Вукалович М.П. и др).

Структурные схемы простых и сложных преобразователей энергии и определение их к.п.д. ( ) показаны на рисунке 3. Для простых преобразователей можно представить один к.п.д. ( ). Для сложных – каждое превращение энергии характеризуется своим, его часто называют относительным внутренним к.п.д. (_oi). Общий к.п.д. сложного преобразователя оказывается равным произведению всех относительных внутренних.

Классификация генераторов:

По виду энергии, отдаваемой потребителю:

1. генераторы тепла (ТГ);

2. генераторы электрической энергии (ЭГ);

3. генераторы механической энергии, двигатели(Д).

Генераторы тепла (ТГ) по виду получаемой энергии делятся на:

А) химические (ХТГ) – топки, камеры сгорания и т.п.;

Б) ядерные (ЯТГ) и термоядерные (ТЯГТ) – реакторы и ядерные батареи, выдающие потребителю тепловую энергию;

В) световые (СТГ) – солнечные нагреватели;

Г) электрические (ЭТГ) – электрические нагреватели;

Д) механические (МТГ) – сварка трением, механические тормоза;

Е) тепловые (ТТГ) – теплообменники, тепловые насосы.

Генераторы электрической энергии (ЭГ):

А) химические (ХЭГ) – гальванические элементы, аккумуляторы, топливные элементы;

Б) ядерные (ЯЭГ) и термоядерные (ТЯЭТ) – термоядерные реакторы и ядерные батареи, непосредственно генерирующие электрическую энергию;

В) световые (СЭГ) – фотоэлементы;

Г) электрические (ЭЭГ) – электрические трансформаторы, преобразователи (по частоте, постоянного тока в переменный и обратно);

Д) механические (МЭГ) – обычные (машины) и необычные (безмашинные – МГДГ);

Е) тепловые (ТЭГ) – термоэлектрические и термоэмиссионные преобразователи.

Генераторы механической энергии, двигатели(Д):

А) химические (ХД) – мышцы живых организмов и в некотором смысле ТЭУ (но в них от химической до механической энергии происходит несколько превращений;

Б) ядерные (ЯД) и термоядерные (ТЯД) – реакторы, дающие тягу без промежуточного превращения ядерной энергии в тепло;

В) световые (СД) – солнечные паруса;

Г) электрические (ЭД) – обычные и другие электрические двигатели (электромоторы);

Д) механические (МД) – ветро и гидроустановки, в том числе и приливные;

Е) тепловые (ТД) – ТЭУ (но тут не надо забывать о цепочке превращений энергий);

Ж) термоэлектромагнитных (ТЭМД) – плазменные, ионные, электромагнитные (электрореактивные) двигатели.

По способу подвода тепла (для тепловых двигателей ТД):

1. с внешним подводом тепла – паросиловые установки;

2. с внутренним подводом тепла – двигатели внутреннего сгорания, разомкнутые схемы газотурбинных установок.

По основным принципам конструкции преобразователя:

1. машинные – имеющие подвижные детали и использующие для своего функционирования механическую энергию: паротурбинные и казотербинные установки;

2. безмашинные – не имеющие подвижных деталей и не использующие механическую энергию для своего функционирования: парогенераторы, трансформаторы, МГДГ и др.

3.УСТАНОВКИ С МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИМИ ГЕНЕРАТОРАМИ (МГДГ).

Основные принципы превращения механической энергии в электрическую были сформулированы М.Фарадеем в середине прошлого века. На электрический заряд, перемещающийся в магнитном поле перпендикулярно направлению магнитных силовых линий. Действует механическая сила, перпендикулярная направлению движения.

Направление этой силы зависит от знака заряда. Все это приводит к тому, что поток электрически заряженных частиц в магнитном поле пространственно разделяется на положительные и отрицательные заряды. Создается разность потенциалов, которую с помощью пластин-электродов можно использовать для создания замкнутой внешней цепи электрического тока.

Эти общие принципы не делают различия для потока зарядов в проводниках I или II рода. Проводники I рода широко используются для создания обычных, машинных генераторов электрической энергии. Ионная проводимость, наблюдаемая в ионизированных газах и жидкостях, до сих пор в промышленных установках для создания электрических генераторов не использовалась, но в будущем в энергетике им может принадлежать ведущая роль. Эти генераторы называют магнитогидродинамическими (МГДГ).

Необходимо отметить, что установки с МГДГ не являются установками, непосредственно превращающими тепловую энергию в электрическую. В них осуществляется превращение тепловой энергии в механическую энергию потока ионизированного рабочего тела. В канале МГДГ механическая энергия потока превращается в электрическую энергию. Принципиальная схема канала МГДГ дана на рисунке 4, на котором показан линейный кондукционный канал. В зависимости от характера движения потока каналы могут быть вихревыми и импульсными, а в зависимости от способа создания замкнутой электрической цепи – кондукционными и индукционными. Рабочим телом для МГДГ могут быть электропроводный газ (смесь нейтральных молекул, ионов и свободных электронов – так называемая низкотемпературная плазма), газ в плазменном состоянии (четвертое агрегатное состояние вещества), жидкие металлы.

Принципиальными преимуществами МГДГ являются:

а) отсутствие движущихся деталей машин;

б) относительная простота и технологичность установки;

в) высокие значения начальной температуры рабочего тела на входе в канал (для органического топлива до 2500⁰С);

г) уменьшение потерь от необратимого теплообмена при высоких температурах рабочего тела;

д) возможность создания энергетических установок с очень большой удельной (кВт) м³, кВт (т) мощностью. Мощность установок с МГДГ пропорциональна их объему, который определяется через третью степень линейных размеров. Тогда как мощность турбинных установок пропорциональна площади рабочих лопаток, которая определяется второй степенью линейных размеров.

Установки с МГДГ имеет следующие принципиальные недостатки:

Электропроводность газовых рабочих тел для МГДГ при достижимых в настоящее время температурах на пять порядков хуже электропроводности меди. Высокие температуры предъявляют очень жесткие требования к материалам для изготовления камер сгорания, каналов, электродов и к самому рабочему телу. Получение высоких температур рабочего тела, при которых будет обеспечена достаточная термическая ионизация газа, само по себе представляет серьезную проблему.

Но, не смотря на отмеченные недостатки, перспективы применения МГДГ в большой энергетике очевидны. В настоящее время во многих странах ведутся серьезные теоретические и практические исследования этого вопроса. В Советском Союзе много сделано институтом Высоких температур АН СССР (ИВТ) и институтом технической теплофизики АН УССР (ИТТФ). В Рязани строится промышленная МГДГ установка мощностью несколько сот МВт, которая не имеет аналога в мировом энергостроении.

Простейшая разомкнутая МГД – установки без регенерации тепла и ее термический цикл в Тs координатах приведены на рисунке 5. Воздух, сжимаемый в компрессоре К, подается в камеру сгорания КС, где происходит горение подаваемого топлива. Продукты сгорания из камеры попадают в разгонное сопло РС, в котором энтальпия рабочего тела превращается во внешнюю кинетическую энергию потока. Снижение температуры рабочего тела при адиабатном расширении в канале сопла не должно существенно снизить электропроводность газа на выходе из сопла. После сопла газ попадает в канал МГДГ.

При прохождении канала кинетическая энергия потока превращается в электрическую энергию, которая отводится потребителю. Давление и температура рабочего тела в канале могут остаться неизменными. Из канала рабочее тело выбрасывается в атмосферу, в которой условно при постоянном давлении осуществляется процесс отвода тепла, замыкающий цикл. Перечисленные процессы изображены в Т-s координатах, где процесс 3-4 – адиабатного сжатия рабочего тела в компрессоре, 4-1 – изобарный подвод тепла в камере сгорания, 1-2 – адиабатное расширение в канале сопла, 2-2’ – процесс в канале МГДГ. 2’-3 – процесс отвода тепла в окружающую среду.

В точках цикла можно принять следующие температуры:

Т₁=3000К, Т₃=300К. Если принять , равное , то термический к.п.д. установки получится меньше 10%. При высокой начальной и обычной конечной температурах цикла разница между средними температурами подвода и отвода тепла в цикле оказывается небольшой, отсюда и низкое значение температурного к.п.д. Поэтому в большой энергетике такие схемы, очевидно, применять не будут. Можно предусмотреть их использование как аварийно-пиковое или даже импульсное для спецпотребителей.

Простеишая разомкнутая схема МГДГ с регенерацией тепла

Рисунок 6

Принципиальная схема установки и ее термодинамический цикл в Тs координатах приведены на рисунке 6. Схема отличается от приведенной на рисунке 5 наличием теплообменника ТО для передачи тепла от рабочего тела после МГДГ к рабочему телу перед камерой сгорания КС. Регенерация, как это видно из Тs диаграммы, существенно повышает Т_1ср и снижает Т_2ср. Термический к.п.д. повышается. При тех же, что и в предыдущей схеме, условиях он может достигать теоретически 50-60%. Трудности реализации такой схемы, кроме всего прочего, заключены в создании теплообменника-регенератора ТО, который должен работать в зоне очень высоких температур. Поэтому более целесообразным оказывается использование МГДГ в верхней части бинарных установок.

Схема бинарной установки с МГДГ и паротурбинной установкой в нижней части и ее термодинамический цикл в Тs координатах приведены на рисунке 7. В нее дополнительно включено оборудование пароводяного цикла: парогенератор ПГ, паровая турбина ПТ, конденсатор КД, питательный насос ПН, система регенеративного подогрева питьевой воды РП. В Тs диаграмме показаны соответствующие процессы бинарного цикла.

Рисунок 7

Если принять за основу один кг рабочего тела в верхнем цикле, то его количество в нижнем цикле определяется из уравнения энергетического баланса парогенератора.

, (6)

где ( ) – кратность циркуляции;

D₁- D_п – расходы газа и пара, (кг/с).

Термический к.п.д., определяющий эффективность бинарного цикла, рассчитывается по выражению

(7)

где i_i – энтальпия рабочего тела (кДж/кг);

l_ц, l_мгдг, l_т – работа цикла, МГДГ, турбины (кДж/кг).

На рисунке 8 приведены принципиальная схема и ее термодинамический цикл в Тs координатах замкнутой бинарной установки с МГДГ. Она отличается от схемы (рисунок 7) наличием теплообменника ТХ для отвода тепла от газового цикла в окружающую среду и измененной последовательностью включения по газу парогенератору ПГ и теплообменника – регенератора ТО. Это обеспечивает возможность применения в газовой части установки наиболее удобных рабочих тел. Изменение последовательности включения теплообменников (ПГ и ТО) приводит к уменьшению в них температурных напоров, что делает бинарный цикл термодинамически более совершенным.

Рисунок 8

Свойства жидких металлов, применяемых в качестве рабочих тел в МГДГ установках, существенно отличаются от свойств газовых рабочих тел.

Отметим следующие отличия некоторых свойств жидких металлов:

1. Высокие значения температур насыщения при относительно низких давлениях (например для Na t_н=877,5⁰С при р=760 мм.р.ст). Это обстоятельство существенно облегчает реализацию циклов с высокими температурами подвода тепла.

2. Очень высокое значение электрической проводимости, большая удельная мощность канала.

3. Высокая температура отвода тепла.

4. Жидкие металлы трудно разгоняются до высоких скоростей в соплах.

5. Небольшая работа, затрачиваемая на их сжатие, что позволяет в схемах установок вместо питательного насоса применять диффузор.

Установки с жидкометаллическими МГД-генераторами могут также классифицироваться, как и установки с газовым рабочим телом.

Дополнительно их разделяют на гомогенные и гетерогенные по состоянию потока в канале.

Гетерогенные различают по структуре фаз:

а) капельные, в которых жидкая фаза находится в виде капель;

б) эмульсионные, в которых газовая фаза находится в виде пузырьков;

в) слоистые или поршневые, в которых в потоке рабочего тела периодически находится жидкая и газовая фаза.

Установки классифицируются также по числу фаз:

1. Однокомпонентные, в которых газовая и жидкая фазы не отличаются по химическому составу (влажный пар жидкого металла).

2. Двух- и многокомпонентные, в которых рабочее тело представляет собой смесь влажного пара, жидкого металла и газа.

Схемы жидкометаллических МГД-генераторов могут различаться по способам подвода тепла к рабочему телу (реактор, радиатор, котел), способом конденсации рабочего тела (поверхностный теплообменник, радиатор, инжектор-конденсатор), наличию или отсутствию сепарации потока и способам ее осуществления.

Создатели жидкометаллических МГД-генераторов разделяют функции жидкой и паровой (газовой) фаз потока. Паровая используется для превращения ее энтальпии в механическую энергию потока и разгона жидкой фазы. Жидкая фаза занимает ведущую роль в процессе превращения механической энергии в электрическую. Нужно отметить, что двухфазные системы (конденсация в потоке, равновесие фаз, смешивание, расширение и др.) мало изучены. Имеющиеся экспериментальные исследования показывают, что в двухфазных потоках наблюдаются большие потери работоспособности вследствие необратимости протекающих в них процессов. Внутреннее к.п.д. ЖМГДГ установок без регенерации тепла могут достигать 14%.

Принципиальная схема жидкометаллической однокомпонентной гетерогенной МГДГ-установки (ЖМГДГ), и ее термодинамический цикл в Тs координатах приведены на рисунок 9.

Рисунок 9

В реактор Р подается жидкометаллический теплоноситель, который выходит из него в состоянии влажного пара. В разгонном сопле РС влажный пар, адиабатно расширяясь, приобретает большую кинетическую энергию и попадает в канал МГД-генератора. В нем механическая энергия потока превращается в электрическую. После канала поток влажного пара попадает в конденсатор КД. После конденсации жидкий металл насосом ПН подается в реактор.

На рисунок 10 приведена принципиальная схема аналогичной установки, в которой двухфазный поток организуется в виде поршней жидкости между участками влажного пара. Эту задачу выполняет специальный формирователь поршней ФП, включенный между реактором Р и разгонным соплом РС.

Рисунок 11

На рисунке 11 приведена схема жидкометаллической однокомпонентной гетерогенной МГД-установки и ее термодинамический цикл в Т-s – координатах.

По сравнению со схемой, приведенной на рис.8, здесь питательный насос ПН заменен инжектором, который состоит из жидкостного сопла ЖС, смесителя С, диффузора Д, кроме этого, из цикла исключен конденсатор. Из реактора Р выходит влажный пар жидкого металла (точка1) и попадает в разгонное сопло (РС), в котором пар (процесс 1-2) расширяется, увеличивает свою кинетическую энергию и одновременно от него отводится часть энергии в виде тепла для регенеративного подогрева жидкого металла перед реактором. После сопла поток направляется в смеситель С инжектора, где происходит конденсация (процесс 2-3) пара. Из смесителя в канал МГДГ входит кипящая жидкость, состояние которой на Тs-диаграмме отмечено точкой 3. В канале механическая энергия превращается в электрическую и при состоянии, соответствующем точке 3 цикла, жидкость поступает в диффузор инжектора Д, где адиабатно сжимается до состояния, соответствующего точке 4. После диффузора поток делится на две части. Первая часть получает тепло регенерации в канале разгонного (процесс 4-6) сопла и попадает в реактор, где при постоянном давлении осуществляется процес 6-1. Вторая часть жидкости после диффузора направляется в охладитель ОХ, где осуществляется процес 4-5 отвода тепла в окружающую среду. Процесс 5-7 – адиабатное расширение жидкости в канале жидкостного сопла инжектора ЖС.

Таким образом, в данной установке осуществляется два цикла – прямой 1-2-3-3'-4-6-1 и обратный 3'-4-5-7-3'. Положительная работа прямого цикла частично отдается потребителю, а частично используется для получения жидкости с температурой t₁ ниже температуры конденсации пара в процессе 2-3, т.е. для обеспечения работы инжектора-конденсатора.

Обычно в литературе не приводится оценка экономичности подобных установок. Такие схемы являются пока результатом только теоретических проработок. Термический к.п.д. цикла установки (_t) можно рассчитать, зная энтальпии в характерных точках цикла.

Камеры сгорания и каналы МГДГ. Стенки камер сгорания и каналов МГДГ должны надежно противостоять следующим условиям:

1. высоким температурам и тепловым ударам (большим значениям t);

2. коррозионному и эрозионному воздействиям рабочего тела и солей щелочных металлов, которые применяются в качестве ионизирующих присадок.

Кроме того, стенки камер сгорания и каналов МГДГ должны сохранять электроизолирующие свойства при высоких температурах и при попадании на них расплавленных солей щелочных металлов, а также физически и химически не взаимодействовать с материалом электродов.

Для изготовления камер сгорания и каналов МГДГ применяют керамики из окиси магния, цирконата стронция, цирконата кальция. Можно применять алунд и жаропрочные бетоны на основе Al₂O₃, с включением зерен корунда и алюмината кальция. Бетоны дешевле и технологичней, но изделия из них получаются более пористые, что снижает их газоплотность.

Электроды каналов изготавливают из керамик на основе различных окислов, карбидов, боридов. Карбиды кремния, например, легируются добавлением молибдена, титана, хрома. Некоторые исследователи рекомендуют изготовлять электроды из окиси циркония, армируя их металлом. Для предупреждения эрозии и коррозии поверхности электродов в рабочее тело вводят порошок двуокиси циркония для создания в канале атмосферы насыщенных паров окиси циркония.

Теплообменники. Вследствие высоких температур теплоносителей теплообменники выполняют по регенеративной схеме, или с твердым промежуточным теплоносителем. В качестве материала для изготовления теплообменников, твердого теплоносителя рекомендуют применять те же материалы, что и для стенок камер сгорания и каналов.

Выбросы МГДГ-установок в атмосферу вредных веществ в основном образуются при сжигании топлив и наличия присадок в продуктах сгорания. В результате полного сгорания топлива в дымовых газах образуются углекислый газ СО₂, водяные пары Н₂О, азот, сера в виде окислов SO₂ и в расчетах выбросов условно принимается, что вся сера топлива переходит в этот окисел. Кроме указанных компонентов при высоких температурах в топочной камере (камере сгорания МГДГ) образуется некоторое количество токсичных окислов азота в виде NO, NO₂, NO₄, NO₅ и др. При расчете выбросов условно принимают, что выбрасываемые в атмосферу окислы азота состоят только из NO₂.

При неполном сгорании топлива в продуктах сгорания могут также содержаться углеводороды, окись углерода СО и некоторые другие компоненты. Зола ряда топлив может иметь повышенную токсичность и содержать мышьяк, свободную двуокись кремния, свободную окись кальция. Зола мазутов содержит, в частности, окисел ванадия V₂O₅.

Ввод в цикл МГДГ-установок различных ионизирующих присадок увеличивает в продуктах сгорания содержание некоторых вредных веществ (ванадия и др.).

Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в атмосферном воздухе населенных мест, приводятся в таблице 3.

Максимальная разовая концентрация вредных веществ определяется по пробам, отобранным в течение 20 мин, среднесуточная – за сутки.

Таблица 3 Предельно допустимые концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе населенных мест.

Загрязняющие вещества	Предельно допустимая концентрация мг/м3
	Максимальная разовая	среднесуточная
Пыль нетоксичная Сернистый ангидрид Углерода окись Азота двуокись Сажа (копоть) Сероводород	0,5 0,5 3,0 0,085 0,15 0,008	0,15 0,05 1,0 0,085 0,05 0,008

Основные методы снижения вредных выбросов в атмосферу при эксплуатации МГДГ установок практически аналогичны методам и мерам, рекомендуемым для ТЭС:

1. Обессеривание топлива (мазута) на нефтеперерабатывающих заводах.

2. Переработка сернистых топлив перед сжиганием его в камерах сгорания МГДГ (схемы газификации и высокотемпературного пиролиза).

3. Очистка продуктов сгорания перед выбрасыванием их в атмосферу от летучей золы и окислов серы.

4. Подавление образования окислов азота ведением необходимого режима горения топлива в камере сгорания (уменьшение избытка воздуха в КС до минимального по условиям полного сгорания топлива).

5. Рассеивание вредных выбросов в атмосфере установкой высоких дымовых труб.

Надо отметить, что ввод в цикл МГДГ ионизирующих присадок в отдельных случаях способствует снижению образования вредных выбросов в продуктах сгорания. Так, содержащийся в присадках К₂СО₃ связывает серу в K₂SO₄, тем самым способствуя уменьшению содержания в продуктах сгорания SO₂. Бинарный раствор K₂SO₄ – NO₅ имеет температуру плавления t=432⁰С и может быть уловлен.

При сжигании высокосернистых мазутов ионизирующая присадка будет связывать серу, поэтому отпадает необходимость установки специального оборудования для очистки продуктов сгорания от серы.

Загрязнение водных бассейнов производственными сточными водами МГДГ-установок аналогичны загрязнениям ТЭС. Однако основным загрязняющим фактором при эксплуатации МГДГ-установок является тепловые загрязнения водоемов, то есть искуственное повышение температуры воды водоема за счет сброса в него сточных вод, имеющих высокую температуру. Повышение температуры воды в водоеме нежелательно как с точки зрения санитарного режима, так и с точки зрения качества водоемов. Согласно действующему водно-санитарному законодательству летняя температура воды в водоеме в результате спуска сточных вод не должна повышаться более чем на t_доп=3⁰С по сравнению со среднемесячной температурой воды самого жаркого месяца года за последние 10 лет – t_м.

Допустимая температура сточных вод при предупредительном санитарном надзоре определяется из уравнения разбавления.

, ⁰С (8)

где  - расчетный расход воды водоема, участвующий в смешении;

V – расход проектируемых к спуску сточных вод;

 - коэффициент, указывающий на степень полноты смешения и разбавления сточных вод в водоеме (=0-1).

Следует отметить, что при одинаковых мощностях МГДГ и ТЭС по тепловому загрязнению в более благоприятных условиях находятся МГДГ, так как они имеют более высокий к.п.д. и поэтому меньшее значение количества отводимой теплоты. Это приводит к уменьшению V и можно иметь большую температуру сбрасываемой воды.

В настоящее время многочисленные научно-исследовательские и проектно-конструкторские организации в различных странах занимаются решением проблем, связанных с созданием промышленных энергетических установок с МГДГ. При МАГАТЭ (международное агентство по мирному использованию атомной энергетики) в 1966 году образована международная группа связи по МГД преобразованию энергии. В эту группу вошли представители Австралии, Австрии, Англии, Бельгии, Италии, Нидерландов, Польши, СССР, США, Франции, ФРГ, Чехословакии, Швейцарии и Швеции. Ежегодно, с 1969 года, в США проводится международный симпозиум по инженерным вопросам магнитной газодинамики. Промышленное внедрение МГДГ-установок будет определяться экономическими показателями. В условиях повышения на мировом рынке цен на топливо внедрение этих установок становится все более актуальным.