Российский электронный наножурнал (нанотехнологии и их применение)

вернуться в обычный режим
Главная / Новости и События / Новости нанотехнологий


Новости нанотехнологий

26.10.2016   Факторы, влияющие на эволюцию технологий генерации и потребления энергии

Жизнь человека и человеческого общества требует постоянных затрат энергии, а обеспеченность энергией является важнейшей характеристикой развития человеческого общества.

Главный редактор, академик РАН М.В. АЛФИМОВ

В процессе эволюции человечество накопило большой опыт использования энергии Солнца, ископаемых углеводородов, воды и ветра для удовлетворения своих насущных потребностей. Солнечную энергию без всякой переработки человечество использует для освещения и обогрева с древних времен и по сей день. Химическую энергию в виде продуктов питания Природа также предоставляет живым организмам и человеку с момента их возникновения. К этой «даровой» энергии для удовлетворения своих потребностей человек со временем стал добавлять энергию, извлеченную с помощью разнообразных технологий и оборудования из первичных источников – древесины, угля, нефти, газа, урановой руды, движущейся воды и ветра.

Первобытный человек потреблял через пищу порядка 12.5 МДж в день и для работы использовал только собственную мускульную энергию. На аграрном этапе, когда человек стал возделывать землю и разводить домашних животных, для обогрева жилища и приготовления пищи стала использоваться химическая энергия (древесина и уголь), переработанная в тепловую энергию, а для механизации ручного труда стала использоваться механическая энергия воды и ветра. Энергия, затрачиваемая на удовлетворение нужд каждого человека на аграрном этапе эволюции, достигала примерно 60 МДж в день.

Индустриальный этап развития человечества, начало которого связывают с изобретением паровой машины и разработкой технологии превращения химической энергии в механическую, знаменуется появлением различных технологий генерации и потребления энергии. За прошедшие годы разработаны разнообразные технологии и устройства преобразования одних форм энергии в другие. Были созданы двигатели внутреннего сгорания углеводородного топлива, устройства генерации и преобразования электроэнергии, генерации энергии на основе процессов ядерного деления, устройства прямого преобразования энергии света в электроэнергию и химической энергии в электрическую. Производство энергии стало крупнейшей отраслью промышленности. Объем потребления энергии в расчете на одного человека многократно возрос по сравнению с первобытным обществом и достигает сегодня – 2.5 000 МДж в день.

К концу 20 века динамика роста объема производства и потребления энергии приобрела экспоненциальный характер. Эксперты оценивают, что к 2050 г. мировая экономика будет требовать ежегодно в четыре раза больше энергии, чем в настоящее время. Повышение спроса обусловлено как ростом населения, так и увеличением индивидуального потребления энергии.

Уже сегодня подсистемы производства и потребления энергии объединены в единые национальные энергетические системы, функционирование подсистем в которых синхронизовано во времени и пространстве. В дальнейшем интеграция процессов производства и потребления энергии будет только усиливаться. Основной формой энергии, предназначенной для передачи и использования в таких объединенных системах, становится электрическая энергия. Это означает, что все первичные источники энергии будут перерабатываться именно в электроэнергию. Особое место электрической энергии обусловлено не только ее высоким качеством по сравнению с другими формами энергии, но и технической возможностью транспортировки и долговременного хранения. Электроэнергию можно назвать универсальной формой энергии. В живых организмах роль такой универсальной формы энергии выполняет молекула АТФ.

Можно ли обеспечить будущие потребности в энергии при сохранении неизменной структуры ее производства? Ответ: нет! Критические факторы – неэффективные технологии извлечения потребляемой энергии из первичных источников и отходы ее производства, ставящие под вопрос само существование жизни на Земле.

Общая картина современного производства и потребления энергии такова: 85 % потребляемой энергии основаны на использовании первичного сырья – угля, газа и нефти, – в котором заключена химическая энергия. При этом около 50 % углеводородного сырья используются для производства электроэнергии по технологической траектории: химическая энергия – тепловая энергия – электрическая энергия.

Остальное углеводородное сырье перерабатывается в материалы или используется для обогрева помещения и получения механической энергии в транспорте по технологической траектории: химическая энергия – тепловая энергия – механическая энергия. Таким образом, большая доля всего первичного сырья перерабатывается в используемые потребителями формы энергии высокого качества (электрическая и механическая энергии) через стадию превращения химической энергии (энергия среднего качества) в тепловую, которая имеет самое низкое качество.

Для превращения энергии низкого качества (большая энтропия) в энергию высокого качества (низкая энтропия) необходимо снова затратить энергию, и это приводит к снижению количества энергии, остающейся для выполнения полезной работы (т.е. уменьшается кпд). Это принципиальное ограничение обусловлено физическими законами, и именно оно задает максимально возможную эффективность преобразования первичной энергии в полезную работу. Если при получении электроэнергии осуществлять прямое превращение химической энергии, содержащейся в угле, нефти и газе, в электрическую энергию, то коэффициент преобразования первичной энергии в электроэнергию будет больше, чем в современных технологиях, а вредные выбросы сократятся.

Таким образом, главным безопасным для экологии направлением удовлетворения растущего спроса на энергию являются перевод промышленной генерации электрической энергии на технологии прямого преобразования химической энергии и увеличение в производстве энергии доли, получаемой из возобновляемых источников.

Главный редактор, академик РАН М.В. АЛФИМОВ

Журнал «Российские нанотехнологии» №9–10 2016 год




http://www.nanojournal.ru/events.aspx?cat_id=224&d_no=42465