Эффективность использования энергии

Отрывок из книги «Домашняя энергетика»

Копейка рубль бережет

Беспорядок, информация, энтропия

Используя солнечный свет, уголь или гидроресурсы для получения полезной работы типа питания электроламп, привода токарного станка или перекачивания воды на вершину холма и т. д., мы вновь и вновь приходим к теплоте как к почти неизбежному побочному (вследствие трения) и наиболее вероятному конечному продукту. Когда свет лампы поглощается стенами, станок режет металл или вода стекает назад в океан, полученная первоначально из топлива энергия в конце концов целиком превращается в теплоту. А если мы и вначале имели дело с теплотой, то на конечном этапе будет более низкая температура. Она практически не пригодна для дальнейшего использования. Можно, конечно, придумать и другой конец – позволить свету излучаться в межзвездное пространство, станку закручивать пружину, а воду оставить на вершине холма, но, как правило, конечный продукт все-таки теплота. (Вся энергия от сгорания бензина во всех автомобилях мира за прошлый год перешла в конечном счете в нагревание воздуха и земли.) Такой переход в теплоту с низкой температурой означает увеличение беспорядка в движении молекул. Даже когда теплота сохраняется, например при смешивании горячего и холодного воздуха, беспорядок все равно возрастает: (группа быстрых молекул в одной области) + (группа медленных в другой) превращается в (смесь молекул с промежуточным хаотическим движением). Рассмотрение как простого смешивания горячего и холодного газа, так и общетеоретическое изучение тепловых машин (термодинамики) приводит нас к выводу, что естественной тенденцией является увеличение беспорядка с течением времени. Это придает времени важное свойство – направленность в случае статистических процессов. В простой механике, выраженной о законах Ньютона, время может течь в обоих направлениях. Кинофильм о соударении двух молекул будет выглядеть одинаково правдоподобно, как бы мы ни запустили пленку – с начала или с конца. Но фильм, в котором молекулы горячего газа смешиваются с холодными, выглядит дико, если его запустить с конца. Таким образом, столкновения мириад молекул указывают на направление течения времени в нашем мире. Изобретена физическая мера «беспорядка», названная «энтропией». Говорят, «энтропия Вселенной стремится возрастать». Отсюда возникла мысль о «тепловой смерти» Вселенной, когда все будет находиться при одной и той же низкой температуре и максимальном беспорядке вещества и излучения.

Энтропию можно определить как отношение количества тепла к абсолютной температуре, или как вероятность определенной конфигурации в мире молекул. Дальнейшие детали этого определения и его использования увели бы нас слишком далеко за рамки нашего издания, но понаблюдайте за этим понятием в науке последующего полустолетия. «Будущее принадлежит тем, – сказал Фредерик Кеффер, – кто сможет управлять энтропией. Промышленные революции прошлого затрагивали только потребление энергии, но заводы-автоматы будущего – это революция энтропии».

Молекулы газа в процессе соударений в принципе могли бы рассортироваться на быстрые (горячие) в одной части сосуда и медленные (холодные) – в другой. Это означало бы уменьшение беспорядка в противоположность тому, что предсказывает закон возрастания энтропии. Но такое случайное событие почти невероятно – скорее просто невозможно.

Наиболее вероятно беспорядочное расположение и скорости молекул, так что упорядоченное расположение после нескольких соударений с большой вероятностью вновь становится хаотическим. Возникновение порядка очень маловероятно даже на протяжении очень долгого времени. Возникновение порядка крайне маловероятно, беспорядка – очень вероятно, вот почему энтропию можно определить тремя эквивалентными способами: 1) как меру беспорядка; 2) через теплоту и температуру; 3) через вероятности конфигураций молекул (насколько они статистически вероятны).

Второй закон термодинамики по сути дела гласит: энтропия стремится возрастать. Из-за неизбежных процессов, таких, как потери тепла, трение, неупругие соударения. она увеличивается. Максимум, на что мы можем надеяться в случае непрерывно работающей совершенной тепловой машины, — это сохранение энтропии постоянной.

Энтропия очень важна для расчетов работы тепловых машин, где мы стремимся использовать все доступное тепло. Она, по-видимому, очень важна и для биологических объектов, для которых господствует одно направление времени.

В последнее время представлением об энтропии воспользовались в «теории информации», которая лежит в основе проектирования систем связи, ЭВМ и т. п. Допустим, что вы ухитрились наблюдать за движением отдельной молекулы газа и можете записать движение каждой из них. За этой детальной информацией вы не разглядите газа как однородной системы, находящегося в состоянии максимального хаоса, а увидите лишь, что движение крайне нерегулярно. Получая информацию, вы уменьшаете энтропию газа. Таким образом, информация, переданная по телефону в виде сообщения или от термометра к термостату, напоминает отрицательную энтропию. Эта аналогия эффективно помогает при кодировании множества одновременных телефонных переговоров, создании усилителей, улучшении качества звукозаписывающих устройств, конструировании автоматов и при изучении нашей собственной нервной системы, языка, памяти, а быть может, и «разума».

Виды потерь энергии

Если мы будем рассматривать промышленные предприятия как систему (рис. 3.1), то можем установить, что, с одной стороны, имеются затраты энергии, сырья и труда, а с другой стороны — выпуск продукции, выход вторичных энергоресурсов и материалов. На практике можно ограничиться выпуском продукции, а вторичную энергию и материалы можно не использовать, что нередко и наблюдается в реальной жизни. Это первый вид потерь энергии.

Непосредственно в производственном процессе может использоваться различное оборудование для реализации конкретных промышленных процессов (рис.3.2), эффективность которого, в зависимости от уровня температуры изменяется от 10 до 70 %. Это второй вид потерь энергии. КПД многих технологических процессов можно здесь повысить за счет улучшения использования топлива на каждой стадии производства продукции, применения специальных устройств для производства энергии из вторичных энергоресурсов. Но, не рассматривая здесь экономические, инвестиционные и тому подобные возможности, отметим только, что вид и состояние используемой технологии пока еще не всегда способствуют реализации

Рис. 3.1. Схема промышленного производства

такой возможности. Поясним это на примере обогрева хорошо изолированного дома. При его обогреве за счет поступления прямой солнечной радиации через обращенные к солнцу окна, потери тепла составляют не более 10 %. Если есть такая климатическая и техническая возможность, то, используя солнечную радиацию, поступающую естественным путем или улавливаемую специальными устройствами, можно получить нужное количество тепловой энергии для отопления без значительных потерь в окружающую среду (5 – 10 %).

При обогреве того же дома за счет использования электроэнергии, выработанной на АЭС, подаваемой по линии электропередачи и превращенной в тепловую форму (теплоту сопротивления), потери тепла составляют 86 %. Составляющие тепловых потерь: добыча урана – 5 %, обогащение и перевозка урана – 41 %, электростанция – 37 %, передача электроэнергии – 3 % (рис. 3.3., поз. 15). Получается, что превращение высококачественной энергии, извлекаемой из ядерного топлива, в тепловую энергию с температурой в несколько тысяч градусов и далее в высококачественную электроэнергию, а затем целевое использование этой энергии для поддержания температуры в доме на уровне 18 – 20 0 С является расточительным процессом.

На основе зарубежных данных на рис. 3.3 показаны соотношения коэффициентов полезного действия энергии, получаемой из различных источников и используемой для отопления. Согласно этим данным, наилучшим способом отопления, особенно в районах с холодным климатом, будет строительство зданий, абсолютно изолированных от внешней среды. Подобные здания должны быть настолько герметичны, что даже в тех районах, где температура воздуха зимой падает до – 40 0 С, отопление всех его помещений можно производить за счет прямого поступления солнечной энергии (около 59 %), электроприборами (33 %) и излучения тепла находящимися внутри этого здания людьми (8 %).

Рис. 3.2. Тепловые КПД для различных промышленных процессов:

1 – ковка и штамповка; 2 – медеплавильные печи; 3 – плавка латуни; 4 – закалка высокопрочной стали; 5 – печи для нагрева заготовок; 6 – печи для фьюмингования цинка; 7 – печи для сжигания мусора; 8 – цементация; 9 – мартеновские печи, работающие с вдуванием кислорода; 10 – нормализация; 11 – эмалирование стекловидными эмалями; 12 – снятие напряжений; 13 – окисление аммиака; 14 – отжиг; 15 – плавка алюминия; 16 – отжиг цементного клинкера; 17 – мартеновские печи работающие на воздушном дутье; 18 – выхлоп дизельного двигателя; 19 – нефтехимический синтез; 20 – цинкование; 21 – выхлоп газовых турбин; 22 – термическая обработка на твердый раствор алюминия и магния; 23 – отжиг цементного клинкера (мокрый процесс); 24 – нагрев алюминия под прокатку; 25 – лужевание; 26 – сушка стержней; 27 – отпуск; 28 – дисперсное твердение алюминия и магния; 29 – горячая сушка изоляционных лаков; 30 – отвердение пластмасс; 31 – вулканизация резины; 32 – производство химических продуктов; 33 – подогрев воды; 34 – бытовые приборы

Рис. 3.3. Практический КПД при различных способах отопления закрытых помещений (домов):

1. Абсолютно герметичный дом (100 % теплоснабжения). 2. Прямое солнечное излучение (100 % теплоснабжения).3. Прямое солнечное излучение (50 % теплоснабжения) плюс высокоэффективное газовое теплоснабжение. 4. Высокоэффективное газовое теплоснабжение. 5. Отопление за счет электрического сопротивления (электроэнергия вырабатывается на ГЭС). 6. Обычное газовое теплоснабжение. 7. Прямое солнечное излучение (50 % теплоснабжения) плюс высокоэффективная дровяная печь (50 %). 8. Нефтяное отопление. 9. Электрический тепловой насос (электроэнергия вырабатывается на угольной электростанции). 10. Высокоэффективная дровяная печь. 11. Активная солнечная энергия. 12. Электрический тепловой насос (электроэнергия вырабатывается на АЭС). 13. Обычная дровяная печь. 14. Теплоснабжение за счет электрического сопротивления (электроэнергия вырабатывается на угольной электростанции). 15. Теплоснабжение за счет электрического сопротивления (электроэнергия вырабатывается на АЭС).

Из приведенных данных следует также, что использование прямой солнечной энергии – это один из наиболее эффективных и дешевых способов обогрева помещений жилищ, который применяется человеком в той или иной форме на протяжении тысячелетий.

Еще один, относительно новый, высокоэффективный способ отопления – за счет сжигания природного газа (контактные водонагреватели, специальные инфракрасные горелки и т.п.).

Отсюда можно определить как бы третий вид потерь энергии – нецелесообразно использовать высококачественную энергию для выполнения тех задач, которые можно выполнить с помощью низкокачественной энергии:

качество выбираемого типа энергии должно соответствовать поставленным задачам, или иными словами, чем больше количество ступеней в процессе преобразования энергии, тем ниже ее практический коэффициент полезного использования.

Несомненно, могут быть исключения из указанного правила. Но, тем не менее, из него вытекает несколько следствий:

• концентрирование производства высококачественной энергии на крупных источниках вступает в противоречие со вторым законом термодинамики;

• чем выше мощность источника энергии, тем выше его энтропийный потенциал;

• любая централизация энергообеспечения (централизованные системы теплоснабжения, единая энергетическая система и т.д.), несмотря на все их преимущества, способствуют росту масштабов беспорядка в окружающей среде.

Еще одна особенность нашего современного общества – масштабное и повсеместное использование устройств с громадными потерями энергии:

• лампы накаливания (КПД 5 %, соответственно, потери энергии 95 %);

• машина или трактор с двигателем внутреннего сгорания (КПД 10 % от энергии, заключенной в горючем);

• высокотемпературная ковка металла в кузнице (КПД 12 %);

• строительство плохо изолированных домов, где тепло может удерживаться не более нескольких минут;

• сооружение сотен тысяч паровых котельных, которые могли бы при незначительных дополнительных инвестициях быть мини – ТЭС с комбинированной выработкой тепловой и электрической энергии (метод когенерации). В этом случае не потребовалось бы строительство в России не менее 100 крупных ТЭС и ТЭЦ, а может быть, и АЭС, снизилась бы стоимость электроэнергии и др.

Соответственно, были созданы и сохраняются условия для увеличения количества отходов тепла и вещества, поступающих в окружающую среду, способствуя повышению ее энтропии.

Современные государства с развитой промышленностью представляют собой генераторы энтропии, «работа» которых не только снижает, но и способствует нарушению устойчивости окружающего мира. Для такого беспокойства есть теоретическая основа. Закон сохранения вещества можно определить следующим образом: по мере роста объемов и географии промышленного производства, все большее количество людей возрастающими темпами будут наращивать использование ресурсов, способствовать загрязнению окружающей среды тепловыми и вредными отходами. В результате способность окружающей среды рассеивать и разрушать выброшенные вещества и поглощать низкотемпературное тепло будет нарушена на всех уровнях: локальном, местном и глобальном. Речь идет о том, что чем настойчивее человечество будет пытаться покорить природу, тем быстрее, согласно второму закону термодинамики, в окружающей среде накапливаются низкокачественное тепло и отходы и, уже в соответствии с законами сохранения вещества и энергии, тем раньше мы достигнем пределов своего роста, конкретные параметры которых определяются возможностями природы воспроизводить изъятые у нее биологические ресурсы.

Основываясь на тех же физических законах, описывающих поведение энергии и вещества, следует считать наиболее перспективной моделью обеспечения устойчивого развития общества, сохранения окружающей среды и ее ресурсов снижение энтропии при обеспечении принципов, с помощью которых осуществляется устойчивое развитие живых организмов в природе.

Реализация данной модели развития общества заключается главным образом в том, что количественное увеличение энергетического бюджета каждого человека, общество должно обеспечивать при все меньших удельных затратах энергии:

• уменьшение затрат энергии на единицу валового внутреннего продукта;

• экономное использование тепла для промышленных нужд и отопления;

• исключение применения без особой необходимости высококачественных видов энергии;

• переход к производству продукции более удобной для повторного использования и ремонта;

• вовлечение в оборот возобновляемых источников энергии и др.

Причем история развития современного общества показывает, что введение ограничений потерь энергии и ресурсов и недопущение нежелательных входных воздействий в природную среду, с позиций термодинамики и экономики оказывается более оправданным подходом, чем контроль последствий и исправление случившегося. Отсюда следует, что энергетическую эффективность может рассматривать как ресурс. За счет уменьшения количества используемой энергии, сокращается необходимые для новых энергоисточников инвестиции или же появляется возможность закрыть убыточные и/или опасные для шахтеров угольные шахты. И если объемы экспорта первичной энергии из России будут в основном ограничиваться величинами сэкономленного за счет энергосбережения топлива, то наши потомки вряд ли будут к нам в претензии.

Энергосбережение – есть объективная реальность. И именно через энергосбережение в долгосрочной перспективе наилучшим вариантом решения проблем устойчивого развития является переход к природосберегающему обществу. Основой такого общества является повышение эффективности использования энергии, переход на возобновляемые ее источники, сокращение ненужных затрат и потерь энергии, рециркуляция и вторичное использование ресурсов вещества, а также сокращение производства отходов и необязательного потребления ресурсов вещества, при разработке мер по контролю роста населения.

Необходимым условием перехода на энергосберегающий путь развития является понимание каждым из нас того, что мы можем и не можем делать, используя ресурсы вещества энергии и ответственная реализация этих знаний в жизни.

распечатать | скачать бесплатно Эффективность использования энергии, Книга Домашняя энергетика Данилов Н.И., Щелоков Я.М., Источник: Портал по энергосбережению ЭнергоСовет.ру,
www.energosovet.ru

скачать архив.zip(185 кБт)