Conceptul de energie. Principalele tipuri de energie

Care este conceptul de „energie” pe care îl folosim atât de des? „Energia” (greacă ενεργια - acțiune, activitate) este o măsură cantitativă generală a diferitelor forme de mișcare a materiei. În general, conceptul de energie, ideea de energie, este artificial și creat special pentru a fi rezultatul gândurilor noastre despre lumea din jurul nostru. Spre deosebire de materie, despre care putem spune că există, energia este rodul gândirii umane, „invenția” lui, construită în așa fel încât să poată descrie diverse schimbări din lumea înconjurătoare și, în același timp, să vorbească despre constanţă, conservarea căreia -ceea ce se numea energie. Pentru această mărime fizică s-a folosit multă vreme termenul „forță vie”, introdus de I. Newton. Pentru prima dată în istorie, Robert Mayer pune semnificația „energiei” în conceptul de „forță vie” fără măcar a rosti acest cuvânt în articolul său „Observații asupra forțelor naturii inanimate”, publicat în 1842. Termenul special „energie” a fost introdus în 1807 de către fizicianul englez Thomas Young și a desemnat o cantitate proporțională cu masa și pătratul vitezei unui corp în mișcare. Termenul „energie” în sensul său modern a fost introdus în știință de William Thomson (Lord Kelvin) în 1860.

Energia se manifestă în diferite forme de mișcare a materiei care umple tot spațiul cosmic. O proprietate inerentă tuturor tipurilor de energie și care le unește este capacitatea fiecărui tip de energie de a se transforma, în anumite condiții, în orice alt tip într-un raport cantitativ strict definit. Însuși numele acestei proprietăți - „legea conservării și transformării energiei” - a fost introdus în circulația științifică de F. Engels, ceea ce a făcut posibilă măsurarea tuturor tipurilor de energie în aceleași unități. Jouleul este luat ca atare unitate (1 J = 1 H m = 1 kg m 2 / s 2). În același timp, pentru a măsura cantitatea de căldură, se folosește unitatea „veche” - 1 cal (calorie), pentru a măsura energia mecanică - valoarea de 1 kgm = 9,8 J, energie electrică - 1 kW h = 3,6 MJ, în timp ce 1 J = 1 W s.

Aproape toate tipurile de energie considerate în termodinamica tehnică, cu excepția căldurii, reprezintă energia mișcării direcționate. Astfel, energia mecanică se manifestă în mișcarea direct observabilă a corpurilor, care are o anumită direcție în spațiu (mișcarea gazului printr-o țeavă, zborul unui proiectil, rotația unui arbore etc.). Energia electrică se manifestă prin mișcarea latentă a electronilor de-a lungul unui conductor (curent electric). Energia termică este exprimată în mișcare haotică moleculară și intramoleculară, reprezentând energia mișcării haotice a atomilor și moleculelor unei substanțe. Energia termică a gazelor se manifestă prin mișcarea de vibrație, rotație și translație a moleculelor, care își schimbă constant viteza în mărime și direcție. În acest caz, fiecare moleculă se poate mișca aleatoriu în întregul volum al gazului. La solide, energia termică se manifestă prin vibrații ale moleculelor și atomilor în raport cu pozițiile determinate de structura cristalină a substanței; în lichide, în vibrații și mișcare a moleculelor sau a complexelor acestora. În consecință, diferența fundamentală dintre energia termică și alte tipuri de energie este că este mai degrabă energia mișcării haotice decât a mișcării direcționate. Ca urmare a acestui fapt, transformarea energiei termice în orice tip de energie de mișcare direcționată are propriile sale caracteristici, al căror studiu este una dintre sarcinile principale ale termodinamicii tehnice.

Fiecare corp în orice stare poate poseda simultan diferite tipuri de energie, inclusiv termică, mecanică, electrică, chimică, intranucleară, precum și energie potențială a diferitelor câmpuri fizice (gravitațional, magnetic, electric). Suma tuturor tipurilor de energie pe care le posedă un corp este energia sa totală.

Energiile termice, chimice și intranucleare fac parte din energia internă a corpului. Toate celelalte tipuri de energie asociate cu mișcarea unui corp, precum și energia potențială a câmpurilor fizice externe, aparțin energiei sale externe. De exemplu, energia externă a unui proiectil zburător în zona de acțiune a forțelor gravitaționale va fi suma E k cinetică a acestuia și energia potențială a câmpului gravitațional E p.g. Dacă un gaz sau un lichid se mișcă într-un flux continuu într-o țeavă, atunci energia lor externă include suplimentar împingând energie, numit uneori energia de presiune E etc.

Energia externă este deci suma

E în n = E k + Σ E p i + E p r, unde E p i este energia potențială a câmpului i (magnetic, electrostatic etc.).

Energia internă a unui corp U poate fi reprezentată ca fiind formată din două părți: energia termică internă U T și U 0 - energia internă zero a unui corp răcit condiționat la temperatura zero absolută:

U=U0 +UTT.

Energia termică internă este acea parte a energiei interne totale a unui corp care este asociată cu mișcarea haotică termică a moleculelor și atomilor și poate fi exprimată prin temperatura corpului și alți parametri ai acestuia. Deoarece temperatura unui corp real reflectă doar parțial energia termică internă, o modificare a acesteia din urmă poate avea loc și la o temperatură constantă a corpului. Exemple în acest sens sunt procesele de evaporare, topire, sublimare, în care are loc o transformare de fază și se modifică gradul de aleatorie a mișcării moleculare.

Astfel, energia totală a unui corp în cazul general poate fi prezentată ca suma zero intern U 0 , termică internă U T , energii cinetice externe E k, potențial extern total Σ E p i energii și energie de împingere E p : E = U 0 +U T +E k + Σ E p i +E p r .

Fiecare dintre aceste componente ale energiei totale poate fi, în anumite condiții, transformată una în alta. De exemplu, în reacțiile chimice există o conversie reciprocă a U 0 în UT . Dacă reacția este exotermă, atunci o parte din energia zero este transformată în căldură. Energia punctului zero a substanțelor rezultate se dovedește a fi mai mică decât cele inițiale - are loc „eliberarea de căldură”. În reacțiile endoterme, se observă fenomenul opus: energia zero crește din cauza scăderii energiei termice - are loc „absorbția de căldură”.

În procesele care nu sunt asociate cu modificări ale compoziției chimice a unei substanțe, energia punctului zero nu se modifică și rămâne constantă. În aceste condiții, se modifică doar energia termică internă. Acest lucru ne permite să luăm în considerare în diferite ecuații de calcul doar modificarea energiei termice interne, pe care o vom numi în continuare pur și simplu energie internă U. Dacă un corp omogen de masă m are energie internă U, atunci energia internă de 1 kg din aceasta corpul este u=U/m.

Mărimea se numește energie internă specificăși măsurată în J/kg.

Energia cinetică externă (J) este energia mișcării de translație a corpului ca întreg și este exprimată prin formula

E к =mw 2 /2, unde m – greutatea corporală, kg; w – viteza de deplasare, m/s.

Energia potențială externă ca energie a acțiunii dirijate a câmpurilor statice poate fi exprimată în termeni de lucru posibil al fiecărui câmp de la o poziție dată până la un zero. Astfel, energia potențială a unui câmp gravitațional este exprimată ca produsul dintre forța gravitațională mg a acestui corp și înălțimea lui H peste orice zero de referință:

Aici înălțimea H reprezintă coordonatele corespunzătoare.

Energia de împingere E p este energia suplimentară a unei substanțe care apare în sistem datorită influenței altor părți ale sistemului asupra acesteia, încercând să împingă această substanță din vasul ocupat. Astfel, atunci când un gaz (sau abur) curge printr-o țeavă sau orice canal în condiții de curgere continuă, fiecare kilogram din acest gaz, pe lângă energiile cinetice și potențiale interne și externe, are energie de împingere suplimentară transportată de la sine:

E pr . =p υ ,

unde p – presiunea specifică; υ – volum specific (volum de 1 kg masă substanță).

Pentru gaze, vapori și lichide dintr-un flux, valoarea p υ (sau pV pentru m kg de substanță) determină parte integrantă a acestora

energie. Așadar, pentru substanțele aflate în flux continuu, parametrul determinant nu va mai fi energia internă U, ci suma U+pV=I, numită entalpie. Pentru 1 kg de substanță i =u+ p υ, unde i este în J/kg.

Aceeași energie i o deține 1 kg de gaz situat în cilindru atunci când este deplasat de piston.

Energia totală a sistemului în cauză, constând din 1 kg de gaz și un piston care acționează asupra acestuia, va fi egală cu suma energiei interne a gazului și a energiei p υ expulsării acestuia, adică egală cu entalpia acestuia. . Din acest motiv, entalpia este adesea numită energia sistemului extins.

Schema cursului:

1).Conceptul de energie. Principalele tipuri de energie, caracteristicile lor.

2).Energia tradițională și caracteristicile ei.

3).Metode de obţinere a energiei termice şi electrice.

Conceptul de energie. Principalele tipuri de energie.Energie(greacă – acțiune, activitate) – o măsură cantitativă generală a diferitelor forme de mișcare a materiei.

Din această definiție rezultă:

· energia este ceva care se manifestă numai atunci când starea (poziţia) diverselor obiecte din lumea din jurul nostru se schimbă;

Energia este ceva care se poate schimba de la o formă la alta;

Energia se caracterizează prin capacitatea de a produce muncă utilă oamenilor;

Energia este ceva care poate fi determinat și cuantificat în mod obiectiv.

Energia este baza vieții pe Pământ. Plantele absorb energia solară prin procesul de fotosinteză; animalele consumă această energie indirect mâncând plante și alte animale. Oamenii consumă energia solară în diferite moduri, inclusiv prin alimente. Chiar și în cele mai vechi timpuri, omul a învățat să prelucreze energia Soarelui prin arderea materiei biologice (de exemplu, lemn sau gunoi de grajd). Și astăzi, milioane de oameni folosesc aceste surse importante de energie pentru a găti sau a-și încălzi casele - primele nevoi umane ale vieții.

Sistemele energetice moderne sunt o componentă integrantă a infrastructurii societății, în special a țărilor industrializate, care consumă aproximativ 4/5 din resursele energetice și găzduiesc doar ¼ din populația lumii. Țările lumii a treia, unde trăiește ¾ din populația lumii, reprezintă aproximativ 1/5 din consumul de energie al lumii.

Având în vedere că energia este un element esențial pentru dezvoltarea durabilă a oricărei țări, fiecare dintre ele se străduiește să dezvolte metode de alimentare cu energie care să asigure cel mai bine dezvoltarea și să îmbunătățească calitatea vieții oamenilor, în special în țările în curs de dezvoltare, reducând în același timp impactul uman. activități privind sănătatea oamenilor și a mediului.

Industria energiei electrice este cel mai important sector al economiei oricărei țări, deoarece produsele sale (energia electrică) aparțin unui tip de energie universal. Poate fi transmis cu ușurință pe distanțe mari și împărțit la un număr mare de consumatori. Fără energie electrică, este imposibil să desfășurăm multe procese tehnologice, așa cum este imposibil să ne imaginăm viața de zi cu zi fără încălzire, iluminat, răcire, transport, televizor, frigider, mașină de spălat, aspirator, fier de călcat, utilizarea mijloacelor moderne. de comunicare (telefon, telegraf, telefax, calculator), care consumă și energie electrică.

Una dintre caracteristicile specifice industriei de energie electrică este că produsele sale, spre deosebire de alte industrii, nu pot fi depozitate într-un depozit pentru consumul ulterior. În fiecare moment de timp, producția sa trebuie să corespundă consumului său.

Energia, în funcție de natura sa, este împărțită în următoarele tipuri:

Energia mecanică se manifestă în timpul interacțiunii și mișcării corpurilor sau particulelor individuale. Include energia de mișcare sau de rotație a unui corp, energia de deformare în timpul îndoirii, întinderii, răsucirii și compresiei corpurilor elastice (arcuri). Această energie este utilizată pe scară largă în diverse mașini de transport și tehnologice.

Energia termică este energia mișcării dezordonate (haotice) și a interacțiunii moleculelor de substanțe. Energia termică, obținută cel mai adesea prin arderea diferitelor tipuri de combustibil, este utilizată pe scară largă pentru încălzire și efectuarea a numeroase procese tehnologice (încălzire, topire, uscare, evaporare, distilare etc.).

Energia electrică este energia electronilor (curent electric) care se deplasează de-a lungul unui circuit electric. Energia electrică este utilizată pentru a obține energie mecanică cu ajutorul motoarelor electrice și pentru a efectua procese mecanice pentru prelucrarea materialelor: zdrobire, măcinare, amestecare; pentru efectuarea reacțiilor electrochimice; obținerea energiei termice în aparate și cuptoare electrice de încălzire; pentru prelucrarea directă a materialelor (prelucrare prin eroziune electrică).

Energia chimică este energia „înmagazinată” în atomii substanțelor care este eliberată sau absorbită în timpul reacțiilor chimice dintre substanțe. Energia chimică este fie eliberată sub formă de căldură în timpul reacțiilor exoterme (de exemplu, arderea combustibilului), fie convertită în energie electrică în celulele galvanice și baterii. Aceste surse de energie se caracterizează prin randament ridicat (până la 98%), dar capacitate redusă.

Energia magnetică este energia magneților permanenți, care au o cantitate mare de energie, dar „o dau departe” cu foarte multă reticență. Cu toate acestea, curentul electric creează câmpuri magnetice extinse și puternice în jurul său, motiv pentru care oamenii vorbesc cel mai adesea despre energie electromagnetică.

Energiile electrice și magnetice sunt strâns legate între ele, fiecare dintre ele putând fi considerată ca fiind „reversul” celuilalt.

Energia electromagnetică este energia undelor electromagnetice, adică. câmpuri electrice și magnetice în mișcare. Include lumina vizibilă, infraroșu, ultravioletă, raze X și unde radio. Astfel, energia electromagnetică este energie de radiație. Radiația transportă energie sub formă de energie unde electromagnetice. Când radiația este absorbită, energia acesteia este transformată în alte forme, cel mai adesea căldură.

Energia nucleară este energia localizată în nucleele atomilor așa-numitelor substanțe radioactive. Este eliberat în timpul fisiunii nucleelor grele (reacție nucleară) sau fuziunii nucleelor ușoare (reacție termonucleară).

Energia gravitațională este energia cauzată de interacțiunea (gravitația) corpurilor masive, este vizibilă mai ales în spațiul cosmic. În condiții terestre, aceasta este, de exemplu, energia „înmagazinată” de căldura ridicată la o anumită înălțime deasupra suprafeței Pământului - energia gravitației.

Astfel, în funcție de nivelul de manifestare, se poate distinge energia macrocosmosului - energia gravitațională de interacțiune a corpurilor - mecanică, energia interacțiunilor moleculare - termică; energia interacțiunilor atomice – energia chimică a radiațiilor – electromagnetică, energia conținută în nucleele atomilor – nucleară.

Știința modernă nu exclude existența altor tipuri de energie, care nu au fost încă înregistrate, dar nu încalcă imaginea științifică naturală unificată a lumii și conceptul de energie.

În general, conceptul de energie și ideile despre aceasta sunt artificiale și create special pentru a fi rezultatul gândurilor noastre despre lumea din jurul nostru. Spre deosebire de materie, despre care putem spune că există, energia este rodul gândirii umane, „invenția” lui, construită în așa fel încât să poată descrie diverse schimbări din lumea înconjurătoare și, în același timp, să vorbească despre constanță, a cărei conservare - care a fost numită energie, chiar dacă ideea noastră despre energie se va schimba de la an la an.

Unitatea de măsură a energiei este 1 J (Joule), pentru măsurarea energiei mecanice valoarea este de 1 kgm = 9,8 J, energia electrică este de 1 kW/h = 3,6 MJ, cu 1 J = 1 W/S.

De remarcat că în literatura de științe naturale energiile termice, chimice și nucleare sunt uneori combinate cu conceptul de energie internă, adică. închis într-o substanță.

Energia primară este energia care este conținută în astfel de tipuri de resurse naturale (surse) precum lemnul, cărbunele, petrolul, gazele naturale, uraniul, eolianul, solarul, hidroenergie și poate fi transformată în energie electrică, termică, mecanică, chimică.

Energia secundară este formele mai utilizabile în care poate fi convertită energia primară, cum ar fi electricitatea și benzina. Energia secundara se obtine in urma conversiei energiei primare in instalatii speciale.

Nu lipsește energia primară. Soarele ne oferă energia lui în fiecare zi. O vedem manifestată în diferite forme. De exemplu, copacii și plantele, trecând razele soarelui prin ei înșiși, transformă această energie în biomasă vegetală. O cantitate imensă de energie solară s-a acumulat în materialele scoarței terestre (turbă, petrol, cărbune).

Rezervele totale de energie primară pe care se poate baza omenirea sunt estimate prin resurse care pot fi împărțite în două mari grupe: regenerabile și neregenerabile.

Energia regenerabilă este solară, eoliană, valurilor, biomasă (lemn sau plante), geotermală și hidroenergetică.

Energie regenerabila:

· energia solară care cade pe suprafața Pământului;

· energie geofizică (vânt, râuri, maree);

· energie din biomasă (lemn, deșeuri de culturi, deșeuri animale).

Energia neregenerabilă este energia conținută în combustibilii organici: cărbune, petrol, gaze naturale, care asigură astăzi peste 80% din energie. Plus uraniu (toriu etc.).

Utilizarea rezervelor de combustibili fosili poate fi asociată cu costuri ridicate pentru dezvoltarea, transportul acestor resurse, protecția muncii și protecția mediului.

Energia tradiționalăÎmpărțit în principal în energie electrică și putere termică.

Cel mai convenabil tip de energie este electrică, care poate fi considerată baza civilizației. Conversia energiei primare în energie electrică se realizează la centralele electrice: centrale termice, hidrocentrale, centrale nucleare.

O trăsătură caracteristică a energiei tradiționale este dezvoltarea sa îndelungată și bună; a fost supusă unor teste pe termen lung într-o varietate de condiții de funcționare. Cota principală a energiei electrice din întreaga lume este obținută din centralele electrice tradiționale; puterea electrică unitară a acestora depășește foarte adesea 1000 MW. Energia tradițională este împărțită în mai multe domenii:

· Energie termală;

· Energie hidraulica;

· Energie nucleară.

Acest sector energetic este tradițional, deoarece resursele neregenerabile precum petrolul, gazele și uraniul sunt folosite pentru a produce resurse energetice secundare. Hidroenergia folosește energia fluxului de apă. Utilizarea numai a energiei tradiționale duce nu numai la epuizarea interiorului pământului, ci și la o deteriorare semnificativă a situației mediului de pe planetă. Principala problemă este emisia mare de dioxid de carbon în atmosferă cauzată de arderea cărbunelui, petrolului și gazelor naturale. Doar defrișările, drenarea mlaștinilor etc afectează deteriorarea mediului de pe planetă.

Industria energiei electrice necesită și furnizează energie electrică consumatorilor. Include centrale electrice, substații, linii electrice și centre de consum de energie electrică.

Ingineria energiei termice produce și furnizează energie termică (abur, apă caldă) consumatorului. Include stații termice, rețele termice (conducte de apă caldă și abur) și centre de consum de energie termică.

Cel mai convenabil tip de energie este electrică, care este pe bună dreptate considerată baza civilizației.

Avantajele energiei electrice față de alte tipuri de energie și anume:

· Energia electrică este ușor de convertit în alte tipuri de energie (mecanică, termică, ușoară, chimică etc.), și invers, orice alte tipuri de energie sunt ușor transformate în energie electrică;

· Energia electrică poate fi transmisă pe aproape orice distanță. Acest lucru face posibilă construirea de centrale electrice în locurile în care sunt disponibile resurse naturale de energie și transmiterea energiei electrice în locurile în care se află surse de materii prime industriale, dar nu există o bază energetică locală;

· Este convenabil să împărțiți energia electrică în orice părți din circuitele electrice (puterea receptoarelor de energie electrică poate fi de la fracțiuni de watt la mii de kilowați);

· Procesele de primire, transmitere și consum de energie electrică sunt ușor de automatizat;

· Procesele care folosesc energie electrică pot fi controlate cu ușurință (apăsați un buton, comutator etc.)

De remarcat în mod deosebit este comoditatea semnificativă a utilizării energiei electrice în automatizarea proceselor de producție, datorită acurateței și sensibilității metodelor de control și monitorizare electrică. Utilizarea energiei electrice a făcut posibilă creșterea productivității muncii în toate domeniile activității umane, automatizarea aproape tuturor proceselor tehnologice din industrie, transport, agricultură și viața de zi cu zi, precum și crearea de confort în spațiile industriale și rezidențiale. În plus, energia electrică este utilizată pe scară largă în instalațiile tehnologice pentru încălzirea produselor, topirea metalelor prin electrochimie, purificarea materialelor și gazelor etc.

În prezent, energia electrică este practic singurul tip de energie pentru iluminatul artificial. Putem spune că fără energie electrică viața normală în societatea modernă este imposibilă.

Singurul dezavantaj al energiei electrice este incapacitatea de a o stoca în cantități mari și de a menține aceste rezerve pentru o perioadă lungă de timp. Rezervele de energie electrică din baterii, celule galvanice și condensatoare sunt suficiente doar pentru a funcționa dispozitive de putere relativ mică, iar perioada de stocare a acestora este limitată. Prin urmare, energia electrică trebuie produsă atunci când consumatorul o cere, și în cantitatea în care are nevoie de ea.

Consumatorii de energie sunt: industrie, transport, agricultura, locuinte si servicii comunale, vanzari si servicii. Dacă energia totală a resurselor energetice primare utilizate este considerată 100%, atunci energia utilizată util va fi de numai 35-40%, restul se pierde, cea mai mare parte sub formă de căldură.

Cuvântul „energie” este tradus din greacă ca „acțiune”. Numim o persoană energică care se mișcă activ, efectuând multe acțiuni diferite.

Energia în fizică

Și dacă în viață putem evalua energia unei persoane în principal prin consecințele activităților sale, atunci în fizică energia poate fi măsurată și studiată în multe moduri diferite. Prietenul sau vecinul tău vesel va refuza, cel mai probabil, să repete aceeași acțiune de treizeci până la cincizeci de ori când ți se întâmplă brusc să investighezi fenomenul energiei lui.

Dar în fizică, puteți repeta aproape orice experiment de câte ori doriți, făcând cercetările de care aveți nevoie. Așa este și cu studiul energiei. Oamenii de știință au studiat și au etichetat multe tipuri de energie în fizică. Acestea sunt energie electrică, magnetică, atomică și așa mai departe. Dar acum vom vorbi despre energia mecanică. Și mai precis despre energia cinetică și potențială.

Energia cinetică și potențială

Mecanica studiază mișcarea și interacțiunea corpurilor între ele. Prin urmare, se obișnuiește să se facă distincția între două tipuri de energie mecanică: energia datorată mișcării corpurilor sau energie cinetică și energia datorată interacțiunii corpurilor sau energie potențială.

În fizică, există o regulă generală care conectează energia și munca. Pentru a găsi energia unui corp, este necesar să găsiți munca care este necesară pentru a transfera corpul într-o stare dată de la zero, adică una la care energia sa este zero.

Energie potențială

În fizică, energia potențială este energia care este determinată de poziția relativă a corpurilor sau părților aceluiași corp care interacționează. Adică, dacă un corp este ridicat deasupra solului, atunci are capacitatea de a lucra în timp ce cade.

Și valoarea posibilă a acestei lucrări va fi egală cu energia potențială a corpului la înălțimea h. Pentru energia potențială, formula este determinată conform următoarei scheme:

A=Fs=Ft*h=mgh, sau Ep=mgh,

unde Ep este energia potențială a corpului,
m greutate corporală,
h este înălțimea corpului deasupra solului,
g accelerarea căderii libere.

Mai mult, orice poziție convenabilă pentru noi poate fi luată drept poziție zero a corpului, în funcție de condițiile experimentelor și măsurătorilor efectuate, nu doar de suprafața Pământului. Aceasta ar putea fi suprafața podelei, a mesei și așa mai departe.

Energie kinetică

În cazul în care un corp se mișcă sub influența forței, nu numai că poate, ci și lucrează. În fizică, energia cinetică este energia deținută de un corp datorită mișcării sale. Când un corp se mișcă, consumă energie și lucrează. Pentru energia cinetică formula se calculează după cum urmează:

A = Fs = mas = m * v / t * vt / 2 = (mv^2) / 2 sau Eк = (mv^2) / 2,

unde Ek este energia cinetică a corpului,
m greutate corporală,
v viteza corpului.

Din formulă este clar că cu cât masa și viteza unui corp sunt mai mari, cu atât energia cinetică a acestuia este mai mare.

Fiecare corp are fie energie cinetică, fie energie potențială, sau ambele simultan, cum ar fi, de exemplu, un avion zburător.

3.1 Energia și tipurile sale

3.2 Metode de obținere și conversie a energiei

3.3 Sarcini electrice și termice și metode de reglare a acestora

3.4 Conversia directă a energiei solare în căldură și electricitate

3.5 Energia eoliană

3.6 Hidroenergie

3.7 Bioenergie

3.8 Transportul energiei termice și electrice

3.8.1 Transportul energiei termice

3.8.2 Transportul energiei electrice

3.9 Managementul energetic al întreprinderilor industriale

3.1 Energia și tipurile sale

Energie(din grecescul energeie - acțiune, activitate) este o măsură cantitativă generală a mișcării și interacțiunii tuturor tipurilor de materie. Aceasta este capacitatea de a lucra, iar munca se face atunci când o forță fizică (presiune sau gravitație) acționează asupra unui obiect. Loc de munca- aceasta este energia în acțiune.

În toate mecanismele, atunci când se lucrează, energia se schimbă de la un tip la altul. Dar, în același timp, este imposibil să obțineți mai multă energie de un tip decât altul în timpul oricăreia dintre transformările sale, deoarece aceasta contrazice legea conservării energiei.

Se disting următoarele tipuri de energie: mecanică; electric; termic; magnetic; atomic.

Electric energia este unul dintre tipurile perfecte de energie. Utilizarea sa pe scară largă se datorează următorilor factori:

Obținerea unor cantități mari în apropierea zăcămintelor de resurse și surselor de apă;

Posibilitate de transport pe distante mari cu pierderi relativ mici;

Capacitatea de a se transforma în alte tipuri de energie: mecanică, chimică, termică, luminoasă;

Fără poluare a mediului;

Introducerea unor procese tehnologice progresive fundamental noi, cu un grad ridicat de automatizare bazată pe energie electrică.

Termic energia este utilizată pe scară largă în industriile moderne și în viața de zi cu zi sub formă de abur, apă caldă și produse de ardere a combustibilului.

Conversia energiei primare în energie secundară, în special în energie electrică, se realizează la stații, care în numele lor conțin indicații despre ce tip de energie primară este convertită în energie electrică la ele:

La o centrală termică (TPP) - termică;

Centrale hidroelectrice (CHP) - mecanice (energia mișcării apei);

Stație de stocare cu pompare (PSPP) - mecanică (energia de mișcare a apei pre-umplute într-un rezervor artificial);

Centrală nucleară (CNE) - nucleară (energie de combustibil nuclear);

Centrala mareelor (TPP) - maree.

În Republica Belarus, mai mult de 95% din energie este generată la centralele termice, care, în funcție de scopul lor, sunt împărțite în două tipuri:

Centrale termice în condensare (CHPS), concepute pentru a genera numai energie electrică;

Centrale combinate de căldură și energie (CHP), unde se realizează producția combinată de energie electrică și termică.

3.2 Metode de obținere și conversie a energiei

Centrala termica include un set de echipamente în care energia chimică internă a combustibilului (solid, lichid sau gazos) este transformată în energie termică a apei și aburului, care este transformată în energie mecanică de rotație, care generează energie electrică. Schema producției de energie electrică la centralele termice este prezentată în Figura 6.

După cum se poate observa din diagrama prezentată, combustibilul alimentat din depozit (C) către generatorul de abur (SG) în timpul arderii eliberează energie termică, care, încălzind apa furnizată de la priza de apă (IW), o transformă în energie. de vapori de apă cu o temperatură de 550 °C. În turbină (T), energia vaporilor de apă este transformată în energie mecanică de rotație, care este transmisă generatorului (G), care o transformă în energie electrică. În condensatorul de abur (K), aburul evacuat cu o temperatură de 123 ... 125 ° C cedează căldura latentă de vaporizare apei de răcire și, folosind o pompă circulară (H), este din nou furnizat sub formă de condens la boiler-generator de abur.

Figura 6 - Schema de funcționare a centralei termice

Proiectarea unei centrale termice și electrice combinate diferă de o centrală termică prin faptul că în locul unui condensator este instalat un schimbător de căldură, unde aburul la o presiune semnificativă încălzește apa furnizată liniilor principale de încălzire.

Centrala de cazane este un ansamblu de dispozitive pentru producerea aburului sub presiune sau a apei calde. Se compune dintr-o unitate de cazan și echipamente auxiliare, conducte de gaz și aer, conducte de abur și apă cu fitinguri, dispozitive de tiraj etc.

District, sau cazanele industriale sunt proiectate pentru furnizarea centralizată de căldură a locuințelor și serviciilor comunale sau întreprinderii în sine. Odată cu punerea în funcțiune a centralelor termice, unele dintre ele au rămas inactive și pot fi folosite ca rezervă și vârf, iar apoi se numesc rezervă-vârf.

Uzina cu turbine cu gaz- acesta este un motor în aparatul cu lame a cărui energie potențială a gazului este convertită în energie cinetică și apoi parțial convertită în lucru mecanic, care este transformată în energie electrică.

Figura 7 - Schema unei instalatii de turbina cu gaz cu alimentare cu energie termica la = const

1 - compresor de aer; 2 - turbină cu gaz; 3 - generator electric; 4 - pompa de combustibil; 5 - camera de ardere

În cea mai simplă instalație de turbină cu gaz cu ardere continuă (Figura 7), aerul comprimat la o anumită presiune în compresorul 1 intră în camera de ardere 5, unde temperatura acestuia crește din cauza arderii combustibilului furnizat de pompa de combustibil 4 la presiune constantă. Produsele de ardere sub presiune și la temperatură ridicată sunt furnizate turbinei 2, în care se efectuează lucrări de expansiune a gazului. În același timp, presiunea și temperatura scad. Apoi, produsele de ardere sunt eliberate în atmosferă.

Centrală cu ciclu combinat este o centrală termică cu turbină, al cărei ciclu termic utilizează două fluide de lucru - vapori de apă și gaze de ardere care provin din unitatea cazanului.

Aerul care intră în compresorul 1 (Figura 8) din atmosferă este comprimat cu creșterea temperaturii și alimentat în camera de ardere 5, în care combustibilul este injectat folosind o pompă de combustibil. Arderea combustibilului are loc în camera de ardere 5, iar gazele rezultate intră în turbina cu gaz 2, unde se lucrează.

Figura 8 - Schema centralei cu ciclu combinat

1 - compresor de aer; 2 - turbină cu gaz; 3 - generator electric; 4 – pompa de combustibil; 5 - camera de ardere; 6 - încălzitor; 7 - cazan; 8 - turbină cu abur; 9 - condensator de vapori de apa; 10 - pompa de alimentare

Gazele de eșapament cu o temperatură de 350 °C și presiune redusă intră în încălzitorul 6, unde eliberează o parte din căldură pentru a încălzi apa de alimentare care intră în cazanul 7 și, după ce s-au răcit, sunt evacuate în atmosferă. Apa de alimentare este folosită în cazan pentru a produce abur, care intră în turbina cu abur 8 la o temperatură

540 °C. În ea, aburul se extinde, producând muncă tehnică. Aburul evacuat în turbină intră în condensatorul 9, în care se condensează, iar condensul rezultat, folosind pompa 10, este trimis mai întâi la încălzitorul 6, unde primește căldura gazelor evacuate în turbina cu gaz, iar apoi la cazanul de abur 7. Debitele de abur si gaz sunt selectate astfel incat apa sa absoarba cantitatea maxima de caldura din gaze. Randamentul termic al instalatiilor este de peste 60%.

Implementarea a două unități de turbine cu abur în asociația de producție Vitebsk „Vityaz”, care sunt capabile să genereze 1500 kW de energie electrică (750 kW fiecare) și să economisească lunar până la 30 de mii de dolari la achiziționarea de energie, arată cât de eficientă este implementarea unități cu turbine cu abur este. Perioada de amortizare a proiectului este de puțin mai mult de un an.

Centrala hidroelectrica este un complex de structuri hidraulice și echipamente de putere prin care energia curgerii apei sau a rezervoarelor situate la niveluri relativ superioare este transformată în energie electrică.

Procesul tehnologic de generare a energiei electrice la centralele hidroelectrice include:

Crearea diferitelor niveluri de apă în bazinele superioare și inferioare;

Transformarea energiei debitului de apă în energie de rotație a arborelui turbinei hidraulice;

Transformarea energiei de rotație în energie de curent electric de către un hidrogenerator.

Depozitare cu pompare centrala electrica este o centrală hidroelectrică în care debitul apei în rezervorul din amonte este asigurat artificial, prin pompe alimentate cu energie electrică din sistem. Pe lângă turbine, este echipat cu pompe (pompe) sau doar turbine care pot funcționa în regim de pompă (turbine inversate) pentru a ridica apa în timpul orelor de sarcină redusă în sistemul de alimentare de la piscina inferioară la rezervorul superior prin conectarea la putere. sistem. La sarcini mari, centralele cu acumulare prin pompare funcționează ca centralele hidroelectrice convenționale.

Scheme termice ale centralelor nucleare depinde de tipul de reactor; tip de lichid de răcire; compoziția echipamentului și poate fi cu unul, două și trei circuite.

Schema de producere a energiei electrice pt un singur circuit Centrala nucleară este prezentată în Figura 9. Aburul este generat direct în reactor și intră în turbina cu abur. Aburul evacuat este condensat într-un condensator, iar condensul este pompat în reactor. Schema este simplă și economică. Cu toate acestea, aburul (fluidul de lucru) de la ieșirea din reactor devine radioactiv, ceea ce impune cerințe crescute pentru protecția biologică și îngreunează monitorizarea și repararea echipamentelor.

Figura 9 - Schema termică a celei mai simple centrale nucleare cu un singur circuit

1 - reactor nuclear; 2 - turbină; 3 - generator electric; 4- condensator de vapori de apa; 5 - pompa de alimentare

ÎN dublu circuitÎn schemele de generare a energiei nucleare, există două circuite independente (Figura 10) - lichid de răcire și fluid de lucru. Echipamentul lor comun este un generator de abur, în care lichidul de răcire încălzit în reactor cedează căldura fluidului de lucru și revine în reactor folosind o pompă de circulație.

Figura 10 - Schema termică a celei mai simple centrale nucleare cu dublu circuit

1 - reactor nuclear; 2 - schimbător de căldură-generator de abur; 3 - pompa de circulatie principala; 4 - turbină; 5 - generator electric; 6 - condensator de vapori de apa; 7 - pompa de alimentare

Presiunea în primul circuit (circuit lichid de răcire) este semnificativ mai mare decât în al doilea. Aburul produs în generatorul de căldură este furnizat turbinei, funcționează, apoi condensează, iar condensul este furnizat generatorului de abur de către pompa de alimentare. Deși generatorul de abur complică instalația și îi reduce randamentul, previne radioactivitatea în circuitul secundar.

ÎN trei circuiteÎn schemă, metalele lichide (de exemplu, sodiul) servesc ca agenți de răcire primari. Sodiul radioactiv din reactor intră în schimbătorul de căldură din circuitul intermediar cu sodiu, care eliberează căldură și este returnat în reactor. Presiunea sodiului în al doilea circuit este mai mare decât în primul, ceea ce elimină scurgerea de sodiu radioactiv. În al doilea circuit intermediar, sodiul transferă căldură fluidului de lucru (apa) al celui de-al treilea circuit. Aburul rezultat intră în turbină, funcționează, condensează și intră în generatorul de abur.

Schema cu trei circuite este costisitoare, dar asigură funcționarea în siguranță a reactorului.

Diferența dintre centralele termice și centralele nucleare este că sursa de căldură la centralele termice este un cazan cu abur în care este ars combustibil organic; la o centrală nucleară - un reactor nuclear, căldura în care este eliberată prin fisiunea combustibilului nuclear, care are o putere calorică mare (de milioane de ori mai mare decât combustibilul organic). Un gram de uraniu conține 2,6 10 nuclee, a căror fisiune eliberează 2000 kWh de energie. Pentru a obține aceeași cantitate de energie, trebuie să ardeți mai mult de 2000 kg de cărbune.

Cu toate acestea, în timpul funcționării centralelor nucleare, se formează o cantitate mare de substanțe radioactive în combustibil, lichid de răcire și materiale structurale. Prin urmare, o centrală nucleară este o sursă de pericol de radiații pentru personalul de exploatare și pentru populația care locuiește în apropiere, ceea ce crește cerințele pentru fiabilitatea și siguranța funcționării acesteia.

Centrala termica(CHP) este o centrală termică care generează nu numai energie electrică, ci și căldură furnizată consumatorilor sub formă de abur și apă caldă pentru consum menajer. Cu o astfel de generare combinată de energie termică și electrică, în principal căldura aburului (sau gazului) evacuat în turbine este eliberată în rețeaua de încălzire, ceea ce duce la o reducere a consumului de combustibil cu 25-30% față de producția separată de energie. la CPP-uri sau centrale raionale de stat (centrale raionale de stat) și căldură în cazane raionale.

Probleme acoperite:

1. Definiția energiei.

2. Tipuri de energie

3. Scopul și utilizarea energiei.

În lumea din jurul nostru, materia există sub formă de materie, câmp și vid fizic. Sub formă de materie și câmp, materia are masă, impuls și energie. O condiție necesară pentru orice acțiune, interacțiune și existență în general este consumul de energie, schimbul de energie. În societatea umană, nivelul de cultură, atât material cât și spiritual, este strâns legat de cantitatea de energie consumată. Nivelul disponibilității energiei determină economia oricărei țări. Deci, ce este energia?

1. Energia și tipurile ei

Energie- baza universală a fenomenelor naturale, baza culturii și a întregii activități umane. În același timp, energie înseamnă evaluarea cantitativă a diferitelor forme de mișcare a materiei care se pot transforma una în alta.

Conform conceptelor științei fizice, energia este Aceasta este capacitatea unui corp sau a unui sistem de corpuri de a lucra.

Există aproximativ 20 de tipuri de energie dovedite științific în natură. Există, de asemenea, diferite clasificări ale tipurilor și formelor de energie. O persoană în viața de zi cu zi întâlnește cel mai adesea următoarele tipuri de energie: mecanice, electrice, electromagnetice, termice, chimice, atomice (intranucleare), gravitaționale și alte tipuri.În practică, doar 4 tipuri de energie sunt utilizate direct: termic ( 70-75%), mecanic (20-22%), electric(3-5%), electromagnetic– lumina (15%).

Mai mult de două treimi din toată energia consumată este utilizată sub formă de căldură pentru nevoi tehnice, încălzire, gătit, restul este utilizat sub formă de energie mecanică, în primul rând în instalațiile de transport, și energie electrică. În plus, ponderea consumului de energie electrică este în continuă creștere.

Dacă energie– rezultatul unei modificări a stării de mișcare a punctelor materiale sau a corpurilor, atunci se numește cinetică; include energia mecanică de mișcare a corpurilor, energia termică datorată mișcării moleculelor.

Dacă energia este rezultatul unei modificări în aranjarea relativă a părților unui sistem dat sau a poziției sale în raport cu alte corpuri, atunci se numește potenţial; include energia maselor atrase de legea gravitației universale, energia poziției particulelor omogene, de exemplu, energia unui corp deformat elastic, energia chimică.

Energia în știința naturii, în funcție de natura sa, este împărțită în următoarele tipuri.

Energie mecanică– se manifestă în timpul interacțiunii și mișcării corpurilor sau particulelor individuale. Include energia de mișcare sau de rotație a unui corp, energia de deformare în timpul îndoirii, întinderii, răsucirii și compresiei corpurilor elastice (arcuri). Această energie este utilizată pe scară largă în diverse mașini - de transport și tehnologice.

Energie termală– energia mișcării dezordonate (haotice) și a interacțiunii moleculelor de substanțe. Energia termică, obținută cel mai adesea prin arderea diferitelor tipuri de combustibil, este utilizată pe scară largă pentru încălzire și efectuarea a numeroase procese tehnologice (încălzire, topire, uscare, evaporare, distilare etc.).

Energie electrica– energia electronilor (curent electric) care se deplasează de-a lungul unui circuit electric. Energia electrică este utilizată pentru a obține energie mecanică cu ajutorul motoarelor electrice și pentru a efectua procese mecanice pentru prelucrarea materialelor: zdrobire, măcinare, amestecare; pentru efectuarea reacțiilor electrochimice; obținerea energiei termice în aparate și cuptoare electrice de încălzire; pentru prelucrarea directă a materialelor (prelucrare cu descărcare electrică).

Acest tip de energie este cel mai avansat datorită următorilor factori:

Posibilitatea de a-l obține în cantități mari în apropierea zăcămintelor de combustibili fosili sau a surselor de apă;
Ușurință de transport pe distanțe lungi cu pierderi relativ mici;
Capacitatea de a se transforma in alte tipuri de energie;
Fără poluare a mediului;
Posibilitatea de a crea procese tehnologice fundamental noi, cu un grad ridicat de automatizare și robotizare a producției.

Energie chimica- aceasta este energia „înmagazinată” în atomii substanțelor, care este eliberată sau absorbită în timpul reacțiilor chimice dintre substanțe. Energia chimică este fie eliberată ca energie termică în timpul reacțiilor exoterme (de exemplu, arderea combustibilului), fie convertită în energie electrică în celulele galvanice și baterii. Aceste surse de energie se caracterizează prin randament ridicat (până la 98%), dar capacitate redusă.

Energie magnetică– energia magneților permanenți, care au o aprovizionare mare de energie, dar „o dau” cu multă reticență. Când curentul electric trece printr-un circuit, se creează un câmp magnetic în jurul conductorului. Energiile electrice și magnetice sunt strâns legate între ele, fiecare dintre ele putând fi considerată ca fiind „reversul” celuilalt. Deoarece energia electrică și magnetică sunt strâns legate, în practică este folosit conceptul de energie electromagnetică.

Energie electromagnetică– este energia undelor electromagnetice, adică câmpuri electrice și magnetice în mișcare. Include lumina vizibilă, infraroșu, ultravioletă, raze X și unde radio.

Gamele de radiații enumerate diferă în funcție de lungimea de undă (și frecvența):

Unde radio – mai mult de 10 -2 cm;
Radiația infraroșie – 2*10 -4 – 7,4*10 -5;
Lumina vizibila - 7,4*10 -5 -4*10 -5; (420-760 nm);
Radiația ultravioletă - 4*10 -5 -10 -6;
Radiația cu raze X – 10 -5 -10 -12;
Radiația gamma - mai mult de 10 -12 cm.

Astfel, energia electromagnetică este energie de radiație. Radiația transportă energie sub formă de energie unde electromagnetice. Când radiația este absorbită, energia acesteia este transformată în alte forme, cel mai adesea căldură.

Energie nucleara– energie localizată în nucleele atomilor de substanţe radioactive. Este eliberat în timpul fisiunii nucleelor grele (reacție nucleară) sau fuziunii nucleelor ușoare (reacție termonucleară).

Există și o denumire veche pentru acest tip de energie - energie atomică, dar această denumire nu reflectă cu exactitate esența fenomenelor care duc la eliberarea de cantități colosale de energie, cel mai adesea sub formă de energie termică și mecanică.

Energia gravitațională- energie cauzată de interacțiunea (gravitația) corpurilor masive, este vizibilă mai ales în spațiul cosmic. În condiții terestre, aceasta este, de exemplu, energia „înmagazinată” de un corp ridicat la o anumită înălțime deasupra suprafeței Pământului - energia gravitației.

Adesea izolate în tipuri speciale de energie biologice şi mentale energie. Cu toate acestea, conform vederilor moderne ale științelor naturale, procesele mentale și biologice sunt un grup special de procese fizice și chimice, dar ele sunt efectuate pe baza tipurilor de energie descrise mai sus.

Astfel, în funcție de nivelul de manifestare, putem distinge energia macrocosmosului– gravitațională, energia interacțiunii corpurilor – mecanică, energia interacțiunilor moleculare – termică,

Spre energie, format la nivel microlume, includ – energia interacțiunilor atomice – chimică; energia radiației – electromagnetică; energia cuprinsă în nucleele atomilor – nucleară.

Știința modernă nu exclude existența altor tipuri de energie care nu au fost încă înregistrate, dar nu încalcă imaginea științifică naturală unificată a lumii și conceptul de energie și legea conservării energiei.

În Sistemul Internaţional de Unităţi SI ca unități energetice admis Joule(J). 1 J echivalent
1 newton x metru (Nm). Dacă calculele sunt legate de căldură, de calculul energiei obiectelor biologice și de multe alte tipuri de energie, atunci o unitate extra-sistemică este folosită ca unitate de energie - calorie(cal) sau kilocalorie (kcal), 1cal = 4,18 J. Pentru a măsura energia electrică, o unitate precum Watt oră(Wh, kWh, MWh), 1 Wh=3,6 MJ. Pentru a măsura energia mecanică, utilizați valoarea 1 kg m = 9,8 J.

Energia extrasă direct din natură (energia combustibilului, apei, vântului, energia termică a Pământului, nucleară), și care poate fi transformată în electrică, termică, mecanică, chimică se numește primar. În conformitate cu clasificarea resurselor energetice în funcție de epuizare, se poate clasifica și energia primară. În fig. Figura 1 prezintă o schemă de clasificare a energiei primare.

Energia valurilor

Energie geotermală

Energia valurilor mării

Combustibil biologic

Energie eoliana

Energie solara

Tipuri netradiționale de energie

Combustibili gazoși

Combustibili lichizi

Combustibili solizi

Energie Atomică

Hidroenergie fluvială

Combustibil organic

Tipuri tradiționale de energie

Energia primară

Orez. 1. Clasificarea energiei primare

Se numește energia primită de o persoană după transformarea energiei primare în instalații speciale - stații secundar(energie electrică, energie cu abur, apă caldă etc.).

Puțin mai mult de jumătate din toată energia consumată este folosită sub formă de căldură pentru nevoi tehnice, încălzire, gătit, restul este folosit sub formă de energie mecanică, în primul rând în instalațiile de transport, și energie electrică.

Energia electrică poate fi considerată pe bună dreptate baza civilizației moderne. Acest lucru se datorează avantajelor și ușurinței de utilizare. Marea majoritate a mijloacelor tehnice de mecanizare și automatizare a proceselor de producție (echipamente, instrumente, calculatoare), înlocuirea muncii umane cu muncă de mașini în viața de zi cu zi, au o bază electrică.

Energie electrica– cel mai universal tip de energie. A găsit o largă aplicare în viața de zi cu zi și în toate sectoarele economiei naționale. Există peste patru sute de tipuri de aparate electrocasnice: frigidere, mașini de spălat, aparate de aer condiționat, ventilatoare, televizoare, casetofone, dispozitive de iluminat etc. Este imposibil să ne imaginăm industria fără energie electrică. În agricultură, utilizarea energiei electrice este în continuă expansiune: hrănirea și adăparea animalelor, îngrijirea lor, încălzire și ventilație, incubatoare, aeroterme, uscătoare etc. Electrificare- baza progresului tehnic în orice sector al economiei naţionale. Vă permite să înlocuiți resursele energetice incomode cu un tip universal de energie - energie electrică, care poate fi transmisă la orice distanță, transformată în alte tipuri de energie, de exemplu, mecanică sau termică, și împărțită între consumatori.

Avantajele energiei electrice:

1. Energia electrică este universală, poate fi folosită într-o varietate de scopuri. În special, este foarte ușor să-l transformi în căldură și lumină. Acest lucru se realizează, de exemplu, în sursele de lumină electrică (becuri cu incandescență), în cuptoarele tehnologice folosite în metalurgie, în diverse dispozitive de încălzire și încălzire. Conversia energiei electrice în energie mecanică este utilizată în acţionarea motoarelor electrice.

2. Când se consumă energie electrică, aceasta poate fi zdrobită la nesfârșit. Astfel, puterea mașinilor electrice variază în funcție de scopul lor: de la fracțiuni de watt în micromotoare utilizate în multe ramuri ale tehnologiei și în produsele de uz casnic, până la valori uriașe care depășesc un milion de kilowați în generatoarele de centrale electrice.

3. In procesul de producere si transmitere a energiei electrice este posibila concentrarea puterii acesteia, cresterea tensiunii si transmiterea prin fire atat pe distante scurte cat si lungi orice cantitate de energie electrica de la centrala unde este generata catre toti consumatorii sai.

Dezvoltarea științei naturii de-a lungul vieții omenirii a demonstrat în mod irefutat că energia nu este niciodată creată din nimic și nu este distrusă fără urmă, ea trece doar de la o formă la alta, adică.

suma tuturor tipurilor de energie rămâne constantă. Aceasta este esența uneia dintre cele mai fundamentale legi ale Universului - legea conservării energiei.

În orice discuție asupra problemelor legate de utilizarea energiei, este necesar să se distingă energia mișcării ordonate, cunoscută în tehnologie ca energie gratis(mecanice, chimice, electrice, electromagnetice, nucleare) și energia mișcării haotice, adică căldură.Orice formă de energie liberă poate fi folosită aproape în totalitate. În același timp, energia haotică a căldurii, atunci când este transformată în energie mecanică, se pierde sub formă de căldură. Nu suntem capabili să ordonăm complet mișcarea aleatorie a moleculelor, transformându-i energia în energie liberă. Mai mult, în prezent practic nu există nicio modalitate de a transforma direct energia chimică și nucleară în energie electrică și mecanică, care sunt cele mai utilizate. Este necesar să se transforme energia internă a substanțelor în termică, iar apoi în mecanică sau electrică cu pierderi mari de căldură inevitabile.Astfel, toate tipurile de energie, după efectuarea unor lucrări utile, sunt transformate în căldură la o temperatură mai scăzută, ceea ce este practic nepotrivit. pentru utilizare ulterioară.

Legea conservării energiei a fost confirmată în diverse domenii - de la mecanica newtoniană la fizica nucleară. Mai mult, legea conservării energiei nu este doar o născocire a imaginației sau o generalizare a experimentelor. Acesta este motivul pentru care putem fi complet de acord cu afirmația unuia dintre cei mai mari fizicieni teoreticieni, Poincaré: „Din moment ce nu suntem în măsură să dăm o definiție generală a energiei, principiul conservării acesteia înseamnă că există ceva care rămâne constant. Prin urmare, indiferent la ce idei noi despre viitoarele experimente ne conduc, știm dinainte: ele vor conține ceva care rămâne constant, care poate fi numit ENERGIE.”

Disciplina educațională „Fundamentele economisirii energiei” este concepută pentru a dota viitorul specialist cu cunoștințe ale legilor generale și abordărilor proceselor de calcul care apar în timpul recepției, transformării și transferului de energie.

3. Probleme de utilizare a energiei umane

Dintre toate tipurile de resurse energetice, energia solară are o importanță deosebită. Toate tipurile de resurse energetice sunt rezultatul transformărilor naturale ale energiei solare. Cărbunele, petrolul, gazele naturale, turba, șisturile petroliere și lemnul de foc sunt rezerve de energie radiantă de la Soare, extrasă și transformată de plante. În timpul reacției de fotosinteză, materia organică se formează în plante din elemente anorganice ale mediului - apă H 2 O și dioxid de carbon CO 2 - sub influența luminii solare, al cărei element principal este carbonul. CU. Într-o anumită epocă geologică de-a lungul a milioane de ani, resursele de energie organică s-au format din plante moarte sub influența condițiilor de presiune și temperatură, care, la rândul lor, sunt rezultatul unei cantități specifice de energie de la Soare căzută pe Pământ, pe baza căruia este carbonul acumulat anterior în plante . Energia apei se obține și din energia solară, care evaporă apa și ridică aburul în straturile înalte ale atmosferei. Vântul apare din cauza temperaturilor diferite de încălzire de către Soare în diferite puncte ale planetei noastre. În plus, radiația directă a Soarelui care cade pe suprafața Pământului are un potențial energetic enorm.

Astfel, formarea combustibilului organic este rezultatul, pe de o parte, al transformărilor naturale ale energiei solare, iar pe de altă parte, rezultatul efectelor termice, mecanice și biologice de-a lungul mai multor secole asupra rămășițelor florei și faunei, depuse în toate formațiunile geologice. Toți acești combustibili sunt pe bază de carbon, iar energia este eliberată din ei în primul rând prin formarea de dioxid de carbon (CO2).

De-a lungul existenței sale, omenirea a folosit energia acumulată de natură de-a lungul miliardelor de ani. În același timp, metodele de utilizare a acestuia au fost îmbunătățite constant pentru a obține o eficiență maximă.

Astfel, chiar la începutul dezvoltării sale evolutive, omul a fost doar în stare energia mușchilor corpului său . Mai târziu omul a învățat să primească și să folosească energie de foc . Următoarea rundă de dezvoltare evolutivă a societății umane a adus oportunitatea de a folosi apa si energia eoliana - au apărut primele mori de apă și vânt, roți de apă și corăbii cu pânze, folosind puterea vântului pentru a se deplasa. În secolul al XVIII-lea a fost inventat motorul cu abur, în care energie termală , obținut prin arderea cărbunelui sau a lemnului, a fost transformat în energia mișcării mecanice. În secolul al XIX-lea s-a descoperit arcul voltaic și iluminatul electric, s-a inventat motorul electric și apoi generatorul electric - care a fost începutul secolului. electricitate . Secolul XX a reprezentat o adevărată revoluție în dezvoltarea omenirii a modalităților de obținere și utilizare a energiei: au fost construite centrale termice, hidraulice și nucleare de o putere enormă, au fost construite linii de transport de energie electrică de înaltă, ultra și ultra-înaltă tensiune, au fost dezvoltate noi metode de producere, transformare și transmitere a energiei electrice ( reacție termonucleară controlată, generator magnetohidrodinamic, turbogeneratoare supraconductoare etc.), sunt create sisteme energetice puternice. În același timp, au apărut sisteme puternice de alimentare cu petrol și gaze.
Astfel, lumea din jurul nostru are o sursă cu adevărat inepuizabilă de diverse tipuri de energie. Unele dintre ele nu sunt încă utilizate pe deplin nici astăzi - energia Soarelui, energia interacțiunii dintre Pământ și Lună, energia fuziunii termonucleare, energia termică a Pământului .

Energia joacă acum un rol decisiv în dezvoltarea civilizației umane. Există o relație strânsă între consumul de energie și volumul de ieșire. Energia este de mare importanță în viața omenirii. Nivelul dezvoltării sale reflectă nivelul de dezvoltare al forțelor productive ale societății, posibilitățile de progres științific și tehnologic și nivelul de trai al populației. Din păcate, cea mai mare parte a energiei consumate de oameni se transformă în căldură reziduală din cauza eficienței scăzute a utilizării resurselor energetice disponibile.

Distribuția aproximativă a energiei consumate pe an în lume este dată în tabel. 1.1. Cantitatea de energie este dată în cantitatea de cărbune în megatone(Mt), care la ardere ar da aceeași energie.
Aproximativ 400 Mt sunt folosite anual pentru hrănirea oamenilor, din care circa 40 Mt sunt transformate în forță de muncă utilă. Aproximativ 800 Mt sunt cheltuite pentru nevoile interne, iar 1000 Mt pentru producția publică.

Tabelul 1.1
Consumul anual de energie în lume

Forma de energie	Cantitate, Mt	Sursă
Alimentația umană și hrana animalelor	650	lumina soarelui (prezent)
Lemn de foc	150	lumina soarelui (în trecut)
Centrale hidroelectrice	100	Mișcarea apei
Cărbune, petrol, gaz, turbă	6 600	lumina soarelui (în trecut)

Astfel, dintr-un consum anual de 7500 Mt se folosesc util 2200 Mt, restul se irosește sub formă de căldură. Dar omenirea nici măcar nu se poate lăuda cu o eficiență de 2200/7500 Mt, întrucât radiația solară căzută pe Pământ, în valoare de 10.000.000 Mt pe an, nu este luată în considerare.

Orez. 2 Distribuția energiei solare.

Inegalitatea consumului de energie de către populație este prezentată în Fig. 3.

Orez. 3. Utilizarea neuniformă a energiei de către populație.

Energia a jucat un rol decisiv în dezvoltarea civilizației. Consumul de energie și acumularea de informații are aproximativ același model de schimbare în timp, există o legătură strânsă între consumul de energie și volumul de ieșire. S-a stabilit că pentru a satisface nevoile fiziologice ale omului modern este necesară aproximativ aceeași cantitate de energie ca și cea a omului primitiv. În același timp, creșterea consumului de energie este uimitor de mare. Dar datorită lui, o persoană își poate dedica o parte semnificativă a vieții timpului liber, educației, activității creative și și-a atins speranța de viață ridicată actuală.
Considerăm energia ca ceva necesar care poate funcționa pentru noi.

Aprovizionarea cu energie a societății este necesară pentru: încălzirea spațiilor, asigurarea mișcării, producerea bunurilor de care avem nevoie, menținerea funcționalității diverselor mașini, mecanisme, instrumente, gătit, iluminat, menținerea vieții etc.

Aceste exemple de aplicații energetice pot fi împărțite în trei grupuri mari:
A)alimentare electrică . Este mai scump decât alte tipuri de energie: grâul este mult mai scump per Joule decât cărbunele. Nutriția oferă căldură pentru menținerea temperaturii corpului, energie pentru mișcarea acestuia, pentru munca mentală și fizică;
b) energie sub formă de căldură pentru încălzirea locuințelor și gătit. Face posibilă trăirea în diferite condiții climatice și diversificarea alimentației umane;
V) energie pentru a asigura funcţionarea producţiei sociale. Aceasta este energia pentru producerea de bunuri și servicii, mișcarea fizică a oamenilor și a bunurilor în spațiu, pentru a menține funcționalitatea tuturor sistemelor de comunicații. Costul acestei energii pe cap de locuitor este mult mai mare decât costul energiei pentru alimente.

Din nefericire, dinamica dezvoltării civilizației este de așa natură încât în fiecare an omenirea necesită din ce în ce mai multă energie pentru existența și dezvoltarea sa. În ciuda prezenței unei cantități mari de resurse energetice și a utilizării diferitelor tipuri de energie de către umanitate, rata consumului de resurse energetice depășește semnificativ capacitatea naturii de a le reînnoi. Aceasta se referă în primul rând la resursele naturale neregenerabile. Nevoile umane sunt în creștere, sunt tot mai mulți oameni, iar acest lucru determină volume gigantice de producție de energie și ritmuri de creștere a consumului acesteia. Astăzi, sursele tradiționale de energie (diverși combustibili, resurse hidro) și tehnologiile de utilizare a acestora nu mai sunt capabile să ofere societății nivelul necesar de energie, deoarece acestea sunt surse neregenerabile. Și deși rezervele dovedite de combustibili naturali sunt foarte mari, problema epuizării rezervelor naturaleîn ritmul actual și proiectat al dezvoltării lor, acesta devine un viitor real și apropiat. Deja astăzi, o serie de câmpuri, din cauza epuizării, se dovedesc a fi nepotrivite pentru dezvoltarea industrială, iar pentru petrol și gaze, de exemplu, trebuie să mergeți în teritorii greu accesibile, îndepărtate, pe rafturile oceanice etc. Prognozorii serioși demonstrează că dacă volumele actuale și ritmurile de creștere ale consumului de energie rămân la 3...5% (și vor fi, fără îndoială, și mai mari), rezervele de combustibili organici se vor usca complet în 70 - 150 de ani.

Un alt factor care limitează o creștere semnificativă a producției de energie prin arderea combustibilului este totul Creșterea poluării mediului din deșeurile din producția de energie. Acest deșeu este semnificativ în greutate și conține un număr mare de diferite componente dăunătoare. Astfel, atunci când se produc 106 kWh de energie electrică la o centrală modernă care funcționează cu combustibil solid, 14.000 kg de zgură, 80.000 kg de cenușă, 1.000.000 kg de dioxid de carbon, 14.000 kg de dioxid de sulf, 4.000 kg de oxizi de azot sunt încărcați în mediu. 100.000 kg de vapori de apă, precum și compuși de fluor, arsen, vanadiu și alte elemente. Dar cantitatea de energie electrică generată pe an se ridică la sute și mii de miliarde de kilowați-oră! De aici provine ploile acide, otrăvirea terenurilor agricole și a corpurilor de apă și fenomene similare. Mai mult, natura nu mai este capabilă să prelucreze acești contaminanți folosind metode naturale fizico-chimice și microbiologice și să se refacă singură.

Energia nucleară pune probleme de mediu de alt fel. Acestea sunt legate de necesitatea de a preveni eliberarea combustibilului nuclear în mediu și sunt de încredere eliminarea deșeurilor nucleare, care la nivelul actual de dezvoltare a tehnologiei și tehnologiei este asociat cu mari dificultăți.

Nu mai puțin dăunător este poluarea termică a mediului mediu care poate duce la încălzirea globală a climei Pământului, la topirea ghețarilor și la creșterea nivelului mării. În lumina celor de mai sus, utilizarea practică pe scară largă a așa-numitelor surse de energie netradiționale și regenerabile, care, în plus, sunt și prietenoase cu mediul și nu poluează mediul, devine din ce în ce mai relevantă. Astfel de surse includ energia solară, energia eoliană, energia valurilor mării și a mareelor, energia din biomasă, energia geotermală etc. Natura fiecăreia dintre aceste surse de energie este diferită, iar metodele de aplicare și utilizare a acestora sunt, de asemenea, diferite. În același timp, au și caracteristici comune, și în special, o densitate scăzută a fluxului de energie generată, ceea ce necesită acumularea și backupul acesteia.

4. Securitate energetică și economisire a energiei

Potrivit prognozelor oamenilor de știință, în viitorul previzibil combustibilii cu hidrocarburi și combustibilii nucleari vor rămâne principala sursă de energie. Dar omenirea se apropie deja de limita creșterii puterii totale a centralelor tradiționale, depășire care va presupune inevitabil dezastru ecologic. Prin urmare, energia modernă „netradițională” este o rezervă care dă speranță și oportunitatea de a depăși multe probleme aparent insolubile și de a răspunde nevoilor în creștere ale oamenilor în viitor. Pe măsură ce tehnologiile și amploarea utilizării practice se îmbunătățesc, unele dintre centralele „netradiționale” vor trece în categoria energiei „mare” tradiționale, în timp ce cealaltă parte își va găsi nișa în sectorul energetic „mic” pentru a furniza energie. către facilităţile locale. Într-un fel sau altul, există un viitor grozav pentru sursele de energie netradiționale și trebuie să facem tot posibilul pentru a ne asigura că acest viitor devine rapid prezent. Problemele vieții și morții de pe planeta noastră depind de asta, ceea ce determină nevoia urgentă de consum rațional de energie, reducându-i costurile unitare în toate sferele activității umane. Această direcție se numește economisire de energie.

Unul dintre rezultatele economisirii energiei este reducerea directă de mai multe ori a costurilor de accelerare a ritmului căutărilor constante pentru surse de energie și dezvoltarea acestora. Dorința de a rezolva aceste și alte probleme a fost observată aproape de la începutul energiei mari. Este implementat atât în căutarea altor surse primare de energie (convertoare electrochimice și termonucleare), cât și în dezvoltarea de noi metode de transformare a energiei surselor primare în energie electrică, de exemplu, în dispozitive termoelectrice sau termoionice, în generatoare MHD.

Economie de energie- activități organizatorice, științifice, practice, de informare ale organelor guvernamentale, persoanelor juridice și persoanelor fizice. Această activitate are ca scop reducerea consumului (pierderilor) de combustibil și resurse energetice în procesul de extracție, prelucrare, transport, depozitare, producere, utilizare și eliminare a acestora. Economisirea energiei este un set de măsuri pentru a asigura utilizarea eficientă și rațională a resurselor energetice.

În prezent, următoarele domenii ale activităților de economisire a energiei sunt recunoscute ca fiind cele mai eficiente:

1. Crearea unui cadru normativ și legal pentru economisirea energiei.

2. Crearea mecanismelor economice necesare.

3. Crearea de mecanisme financiare pentru economisirea energiei.

4. Implementarea unei politici de prețuri care să reflecte costurile resurselor energetice, produselor fabricate, serviciilor și să determine nivelul de trai al populației.

5. Crearea unui sistem de management al economisirii energiei.

6. Crearea unui sistem informaţional pentru promovarea problemelor de economisire a energiei, instruire, recalificare a personalului şi managerilor care activează în acest domeniu.

Baza economisirii energiei este utilizarea rațională a resurselor energeticeși reducerea pierderilor acestora. Politicile de economisire a energiei sunt utilizate pe scară largă în toate țările avansate.

Pe baza definirii conceptului economisirea energiei ca un set de măsuri care vizează utilizarea eficientă a energiei, se impune limitarea posibilităţilor de utilizare a resurselor materiale ale mediului extern, dacă vorbim de aşa-numitele surse de energie primară neregenerabile sub formă de combustibili minerali organici. Este destul de de inteles ca multe tari in conditii moderne se straduiesc sa maximizeze utilizarea, dar pe noi principii, a surselor de energie regenerabila – eoliana, solara, biomasa etc. Folosirea lor vă va permite astăzi rezolva o mulțime de probleme de mediu, care creează premisele pentru rezervarea unei părți din rezervele de combustibili fosili pentru descendenți(dacă în același timp nu vor fi exportate în străinătate), inclusiv pentru nevoi non-energetice: producția de produse chimice, medicamente, tot felul de medicamente.

Sub Securitate Energetică este înțeles ca o stare a statului când tuturor consumatorilor care au nevoie de ele nu le lipsesc toate tipurile de energie. Într-un aspect mai larg -

Aceasta este o stare a complexului de combustibil și energie care asigură aprovizionarea cu energie suficientă și fiabilă a țării, necesară dezvoltării economice durabile și condițiilor de viață confortabile pentru populație în condiții normale și minimizarea daunelor în situații de urgență.
- Aceasta este starea societății pentru a menține nivelul necesar de securitate națională

Principal principiile securității energetice sunt:

Disponibilitatea resurselor sau rezervelor energetice materii prime energetice
Rezerve de capacitate electrică și termică(cel puțin 15% față de sarcina de vârf)
Fiabilitatea echipamentelor de alimentare
Controlabilitatea sistemului energetic tara la stat
Dacă sectorul energetic al statului se bazează pe importul de resurse energetice – achizițiile nu ar trebui făcute într-o singură țară. Ponderea fiecărei surse de aprovizionare cu energie nu trebuie să depășească 50%
Politica de economisire a energiei a statului- reglementarea juridica, organizatorica si financiar-economica a activitatilor din domeniul economisirii energiei. Un exemplu de conștientizare a importanței rezolvării problemei economisirii energiei este Legea Republicii Belarus „Cu privire la economisirea energiei”, adoptată în 1998. Prezenta lege reglementează raporturile apărute în derularea activității persoanelor juridice și persoanelor fizice în domeniul conservării energiei în scopul creșterii eficienței utilizării combustibililor și resurselor energetice și stabilește temeiul juridic al acestor relații. . Pentru a implementa economisirea energiei la nivel de stat, acestea se dezvoltă constant programe de economisire a energiei.
Republican – timp de 5 ani, începând din 2001.
Regional – timp de 1 an
Industria științifică și tehnică - există pe termen lung (pentru 5 ani) și pe termen scurt (pentru 1 an)
Republica Belarus se confruntă cu o sarcină economisirea energiei și reducerea intensității energetice a produsului intern brut.
Pentru a rezolva această problemă aveți nevoie de:
- crearea unui sistem de formare a specialiștilor în domeniul economisirii energiei, tehnologiilor de economisire a energiei și managementului energetic;
- să asigure o restructurare a gândirii societății în ansamblu, să-și schimbe radical atitudinea față de problema conservării energiei și a resurselor.

Cursul 2

Resursele energetice ale lumii

Probleme acoperite:

1. Definiții de bază

2. Tipuri de resurse energetice și clasificarea acestora.

3. Structura și starea economiei energetice globale

2.1. Resursele energetice și clasificarea acestora

Conform legii Republica Belarus „Despre economisirea energiei”, care a fost adoptat la 29 iunie 1998, sursa de energie este resursele energetice:

Resurse energetice– acestea sunt obiecte materiale în care se concentrează energia, potrivite pentru utilizare practică de către oameni. O resursă energetică este orice sursă de energie, naturală sau activată artificial. Resurse energetice– purtători de energie care sunt utilizați în prezent sau care pot fi utilizați util în viitor.

resurse de combustibil și energie(FER) – totalitatea tuturor tipurilor naturale și convertite de combustibil și energie utilizate în republică Resursele energetice sunt clasificate după următoarea schemă (Fig. 1).

Resursele primare de energie naturală- formate în mod natural ca urmare a dezvoltării geologice a Pământului sau manifestate prin comunicații cosmice (radiații de la Soare), se împart în neregenerabile (cărbune, petrol, gaze naturale, șist, turbă) și regenerabile (energia fluvială, radiația solară, energia mareelor, biocombustibili).

Spre regenerabile includ resursele restaurate de natură (pământ, plante, animale etc.), la neregenerabile- resurse acumulate anterior în natură, dar practic nu s-au format în condiții geologice noi (petrol, cărbune și alte rezerve de subsol) .

Resurse energetice secundare(VER)– energia obţinută în timpul oricărui proces tehnologic ca urmare a subutilizarii energiei primare sub formă de produs secundar al producţiei principale şi neutilizată în acest proces energetic. Acest tip de resursă include: deșeuri menajere și industriale, deșeuri fierbinți de răcire, deșeuri de substanțe organice combustibile și deșeuri agricole.

R și s.1. Structura resurselor energetice.

Una dintre clasificările resurselor naturale este clasificarea bazată pe epuizare, conform căreia sunt împărțite resursele energetice epuizabilȘiinepuizabil (Fig. 3). La rândul lor, epuizabilele pot fi împărțite în regenerabileȘineregenerabile.

LA inepuizabil includ spațiul, clima și resursele de apă.

Fig.2. Resurse energetice epuizabile și inepuizabile.

Toate sursele de energie inepuizabile sunt considerate regenerabile.

De fapt, nu există resurse energetice inepuizabile în univers. Mai devreme sau mai târziu se vor usca. Deci, de exemplu, în 4,5 miliarde de ani, steaua noastră, Soarele va intra în următorul stadiu de evoluție și se va transforma într-o pitică albă. Această tranziție se numește explozie de supernovă. În același timp, un flux imens de energie va fi emis în spațiul cosmic, care va ajunge pe planeta noastră, va distruge (arde) atmosfera Pământului, oceanele se vor evapora și Pământul se va transforma într-un corp cosmic fără viață.

Cu toate acestea, în comparație cu viața umană și cu timpul de existență a civilizației umane, astfel de surse sunt considerate inepuizabile. Astfel, sursele regenerabile de energie sunt acele surse ale căror fluxuri de energie există în mod constant sau apar periodic în mediu și nu sunt rezultatul activității umane intenționate.

Resursele de energie regenerabilă includ energie:

Oceanele lumii sub formă de energie flux și reflux, energie valurilor;

- vant;

Curenții marini;

Sărat;

Alge;

Produs din biomasă;

Jgheaburi;

Deșeuri solide municipale;

Surse geotermale.

Dezavantajul surselor regenerabile de energie este grad scăzut de concentrare a acestuia. Dar acest lucru este compensat în mare măsură de distribuția lor largă, puritatea relativ ridicată a mediului și inepuizabilitatea lor practică. Este cel mai rațional să folosiți astfel de surse direct în apropierea consumatorului fără a transmite energie la distanță. Energia care funcționează pe aceste surse folosește fluxurile de energie care există deja în spațiul înconjurător, redistribuie, dar nu perturbă echilibrul lor general.

Aproximativ 90% din resursele energetice utilizate în prezent sunt neregenerabile(cărbune, petrol, gaz etc.). Acest lucru se datorează potențialului lor energetic ridicat și disponibilității relative a extracției lor. Ritmul de extracție și consum al acestor resurse determină politica energetică. Cele mai utilizate resurse energetice astăzi sunt numite tradiţional, noi tipuri de resurse energetice, a căror utilizare a început relativ recent - alternativă ( resursele energetice ale râurilor, rezervoarelor și apelor uzate industriale, eoliene, solare, gaze naturale regenerabile, biomasă (inclusiv deșeuri de lemn), ape uzate și deșeuri solide municipale) .

În managementul modern al mediului, resursele energetice sunt clasificate în trei grupuri

– implicate în circulația și fluxul constant de energie(energie solară, spațială etc.),

- resurse energetice depuse(petrol, gaz, turbă, șist etc.) și

- surse de energie activate artificial(energie atomică și termonucleară).

Din punct de vedere economic, există brut, tehnic și economic resurse energetice.

Resursă brută reprezintă energia totală conținută într-un anumit tip de resursă energetică.

Resursa tehnica – Aceasta este energia care poate fi obținută dintr-un anumit tip de resursă energetică odată cu dezvoltarea actuală a științei și tehnologiei. Acesta variază de la o fracțiune de un procent la zece la sută din brut, dar crește constant pe măsură ce echipamentele energetice sunt îmbunătățite și noile tehnologii sunt stăpânite.

Resursă economică – energie, a cărei producție din acest tip de resursă este rentabilă din punct de vedere economic, având în vedere raportul existent al prețurilor pentru echipamente, materiale și forță de muncă. El alcătuiește o anumită proporție din cel tehnic și de asemenea crește odată cu dezvoltarea energiei.

Resursele energetice sunt de obicei caracterizate de numărul de ani în care o anumită resursă va fi suficientă pentru a produce energie la un nivel de calitate modern. Din raportul Comisiei World Energy Council (1994), la nivelul actual de consum, rezervele de cărbune vor dura 250 de ani, gazul 60 de ani, petrolul 40 de ani. În același timp, potrivit Institutului Internațional de Analiză a Sistemelor Aplicate, cererea globală de energie va crește de la 9,2 miliarde de tone în termeni de petrol (sfârșitul anilor 1990) la 14,2-24,8 miliarde de tone în 2050.

Indicator de eficienta energetica– valoarea absolută sau specifică bazată științific a consumului de combustibil și resurse energetice (ținând cont de pierderile standard ale acestora) pentru orice scop, stabilită prin acte normative.

Eficienţă utilizarea resurselor energetice este determinată de gradul de conversie a potențialului lor energetic în produse finale utilizate sau tipuri de energie consumate finale și se caracterizează rata de utilizare a resurselor energetice:

Unde η d – factor de recuperare rezerva potențială de resurse energetice (raportul dintre cantitatea extrasă și cantitatea totală a resursei),

η P – factor de conversie(raportul dintre energia utilă primită și toate resursele energetice furnizate), η Și – factor de utilizare a energiei(raportul dintre energia utilizată și energia furnizată consumatorului).

Pentru unele tipuri de resurse energetice fosile η d este:

pentru petrol  30,...40%, pentru gaz  80%, pentru cărbune  40%. La arderea combustibilului η P este egal cu 94–98%.

Conceptul de eficiență energetică este asociat cu conceptele de utilizare eficientă și rațională a resurselor energetice.

Bilanțul energetic este un sistem de indicatori care reflectă corespondența cantitativă dintre veniturile și consumul de resurse energetice, distribuția pe tip și consumatori (vezi Fig. 3).

Orez. 3. Structura bilanţului energetic.

Utilizarea rațională a resurselor - este un sistem de activităţi menit să asigure economic utilizarea și reproducerea resurselor luând în considerare interesele pe termen lung ale economiei naționale în curs de dezvoltare și păstrarea sănătății oamenilor.

Utilizarea eficientă a resurselor - utilizarea tuturor tipurilor de energie în moduri justificate economic, progresive la nivelul existent de dezvoltare a tehnologiei (implică reciclarea resurselor, reducerea consumului, economisirea energiei, nedepășirea pragului ecologic de durabilitate a ecosistemului).

Utilizatori de combustibil și resurse energetice– entitățile comerciale, indiferent de forma lor de proprietate, înregistrate pe teritoriul Republicii Belarus ca persoane juridice sau întreprinzători fără a forma o persoană juridică, precum și alte persoane care, în conformitate cu legislația Republicii Belarus, au dreptul de a încheia contracte de afaceri, iar cetățenii folosesc resursele de combustibil și energie.

Producători de combustibil și resurse energetice– entități comerciale, indiferent de forma lor de proprietate, înregistrate pe teritoriul Republicii Belarus ca persoane juridice, pentru care orice tip de combustibil și resurse energetice utilizate în republică este un produs de bază.

Sub energie sau sistem energetic, ar trebui să se înțeleagă un set de mari sisteme naturale (naturale) și artificiale (fabricate de om) menite să obțină, să transforme, să distribuie și să utilizeze resurse energetice de toate tipurile în economia națională.

Energie este considerat ca un sistem mare care include părți ale altor sisteme mari ca subsisteme.
A doua interpretare a sistemului energetic, acceptat de inginerii energetici, este după cum urmează: sistem energetic este un ansamblu de centrale electrice, substații, linii electrice, rețele electrice și termice interconectate, centre de consum de energie electrică și căldură.
Următoarele sisteme mari funcționează ca parte a sistemului energetic care răspunde nevoilor întregii economii de energie electrică și termică:

sistem de energie electrică (energie electrică), care include un sistem de alimentare cu căldură (putere termică) ca subsistem;

sistem de alimentare cu petrol și gaze;

sistemul industriei cărbunelui;

energie nucleară;

energie netradițională.

Generarea de energie electrică asigura centrale electrice; transformare– transformatoare, transport;

distributia energiei electrice- linii de înaltă tensiune; consum– diverse receptoare.

2.2 Tipuri de combustibil, caracteristici și rezerve

Conform definiției lui D.I. Mendeleev, „combustibilul este o substanță combustibilă care este arsă în mod deliberat pentru a produce căldură”. Combustibilul mineral este principala sursă de energie în economiile moderne și cea mai importantă materie primă industrială. Prelucrarea combustibilului mineral este baza formării întreprinderilor industriale, inclusiv petrochimice, chimice gazoase, brichete de turbă etc.

Combustibilul este împărțit în următoarele patru grupe:

Solid;

Gazos;

Nuclear.

Cele mai timpurii tipuri de combustibil solid au fost (și în multe locuri sunt încă) lemnul și alte plante: paie, stuf, tulpini de porumb etc.

Prima revoluție industrială, care a transformat complet țările agricole din Europa și apoi America în secolul al XIX-lea, a avut loc ca urmare a trecerii de la combustibilul lemnos la cărbunele fosil. Apoi a venit epoca electricității.

Descoperirea electricității a avut un impact uriaș asupra vieții omenirii și a determinat apariția și creșterea celor mai mari orașe din lume.

Utilizarea petrolului (combustibil lichid) și a gazelor naturale în combinație cu dezvoltarea energiei electrice și apoi dezvoltarea energiei atomice, a permis țărilor industrializate să efectueze transformări grandioase, al căror rezultat a fost formarea aspectului modern al Pământ.

Astfel, să combustibil solid include:

Lemn, alte produse de origine vegetala;

Cărbune (cu soiurile sale: tare, maro);

Turbă;

- șisturi bituminoase.

Combustibilii solizi fosili (cu excepția șisturilor) sunt un produs al descompunerii materiei organice din plante. Cel mai tânăr dintre ei turbă, care este o masă densă formată din rămășițele putrezite ale plantelor de mlaștină. Următorii „vârste” sunt cărbuni bruni- o masă omogenă pământoasă sau neagră, care, păstrată în aer pentru o perioadă lungă de timp, se oxidează parțial (intemperiilor) și se sfărâmă în pulbere. Apoi se duc cărbuni, care, de regulă, au o rezistență crescută și o porozitate mai mică. Masa organică a celui mai vechi dintre ele este antracit a suferit cele mai mari modificări și are 93% carbon. Antracitul este foarte dur.

șisturi bituminoase sunt un mineral din grupul caustobioliților solizi, care în timpul distilării uscate produc o cantitate semnificativă de rășină, similară ca compoziție cu uleiul.

Combustibili lichizi obtinut prin rafinarea petrolului. Țițeiul este încălzit la 300 ... 370 °C, după care vaporii rezultați sunt dispersați în fracții care se condensează la diferite temperaturi:

Gaz lichefiat (randament aproximativ 1%);

Benzina (circa 15%, tc = 30... 180°C);

Kerosen (aproximativ 17%, tk = 120 ... 135 °C);

Diesel (aproximativ 18%, tk = 180 ... 350 °C).

Reziduul lichid cu un punct de fierbere inițial de 330 - 350 ° C se numește păcură.

Combustibili gazoși sunt gaz natural, extras atat direct cat si incidental cu productia de ulei, numit asociat. Componenta principală a gazelor naturale este metan CH4 și o cantitate mică de azot N2, hidrocarburi mai mari СnНm, dioxid de carbon CO2. Gazul asociat conține mai puțin metan decât gazul natural, dar mai multe hidrocarburi și, prin urmare, eliberează mai multă căldură în timpul arderii.

În industrie și mai ales în viața de zi cu zi, este utilizat pe scară largă gaz lichefiat, obținut în timpul rafinării primare a petrolului. Instalațiile metalurgice produc ca subproduse cocs și gaze de furnal. Sunt folosite aici în fabrici pentru încălzirea cuptoarelor și dispozitivelor tehnologice. În zonele în care se află minele de cărbune, poate servi un fel de „combustibil”. metan, eliberat din straturi în timpul ventilației lor. Gazele produse prin gazeificare (gaz generator) sau prin distilare uscată (încălzire fără acces la aer) a combustibililor solizi au fost practic înlocuite cu gaze naturale în majoritatea țărilor, dar interesul pentru producerea și utilizarea lor este în prezent reînviat.

Recent, a fost din ce în ce mai folosit biogaz- un produs al fermentației anaerobe (fermentării) deșeurilor organice (dejecții, reziduuri vegetale, gunoi, ape uzate etc.).

Combustibil nuclear este Uranus. Eficacitatea utilizării sale este demonstrată de munca primului spărgător de gheață nuclear din lume „Lenin” cu o deplasare de 19 mii de tone, lungime 134 m, lățime 23,6 m, înălțime 16,1 m, pescaj 10,5 m, cu o viteză de 18 noduri ( aproximativ 30 km/h). A fost creat pentru a ghida convoaiele de nave de-a lungul Rutei Mării Nordului, unde grosimea gheții atingea 2 metri sau mai mult. A consumat 260-310 grame de uraniu pe zi. Un spărgător de gheață diesel ar necesita 560 de tone de motorină pentru a efectua aceeași cantitate de muncă ca spărgătorul de gheață Lenin.

O analiză a evaluării aprovizionării cu combustibil și resurse energetice arată că cel mai rar tip de combustibil este petrolul. Potrivit diverselor surse, va dura 250 de ani. Apoi, după 35-64 de ani, rezervele de gaz combustibil și uraniu se vor epuiza. Situația este cea mai bună cu cărbunele, ale cărui rezerve în lume sunt destul de mari, iar oferta de cărbune va fi de 218-330 de ani.

2.2 Combustibil condiționat, conținut caloric, potențial energetic.

Calculele economice, compararea performanțelor dispozitivelor care utilizează combustibil între ele și planificarea trebuie efectuate pe o singură bază. Prin urmare, a fost introdus conceptul de așa-numit combustibil de referință.

Referința combustibilului este o unitate de contabilitate a combustibililor fosili utilizată pentru a compara eficiența diferitelor tipuri de combustibil și contabilizarea totală. Utilizarea combustibilului de referință este deosebit de convenabilă pentru compararea eficienței diferitelor centrale termice.

Ca unitate de combustibil standard, se folosește 1 kg de combustibil cu o putere calorică de 7000 kcal/kg (29,3 MJ/kg), ceea ce corespunde cărbunelui uscat bun cu conținut scăzut de cenuşă. Pentru comparație, menționăm că cărbunii bruni au o putere calorică mai mică de 24 MJ/kg, iar antracitul și cărbunii bituminoși - 23-27 MJ/kg. Relația dintre combustibilul convențional și combustibilul natural este exprimată prin formulă

W = (Qnr / 7000) Vn = E Vn,

unde W este masa cantității echivalente de combustibil standard, kg;

Vn - masa combustibilului natural, kg (combustibil solid și lichid) sau m3 - gazos;

Qнр - putere calorică mai mică a unui combustibil natural dat, kcal/kg sau kcal/m3.

Raport E = Qnr / 7000

numit coeficientul caloric, și este acceptat pentru:

Ulei - 1,43;

Gaze naturale - 1,15;

Turba - 0,34-0,41 (in functie de umiditate);

Brichete de turba - 0,45 -0,6 (in functie de umiditate);

Motorina - 1,45;

Păcură - 1,37.

Valorile calorice ale diferiților combustibili, kcal/kg, este de aproximativ:

ulei - 10.000 (kcal/kg);

gaze naturale - 8.000 (kcal/m3);

cărbune - 7000(kcal/kg);

lemn de foc cu umiditate 10% - 3900(kcal/kg);

40% - 2400(kcal/kg);

umiditatea turbei 10% - 4100(kcal/kg);

40% - 2500(kcal/kg);

Parametrul care determină posibilitatea utilizării unei surse de energie este Potential energetic. Se exprimă în unități de energie J sau kW oră. Potențialul energetic al resurselor energetice ale Pământului, măsurat în exajouli, (eJ=10 18 J), este estimată prin următoarele valori:

energie de fisiune nucleară 1,97 10 6
energie geotermală 2,94 10 6
energie solară la nivelul Pământului, timp de 1 an 2,41 10 6
energia chimică a combustibilului chimic 5.21 10 5
energie termonucleară 3,60 10 5
energia mareelor, timp de 1 an 2,52 10 5
energie eoliană, timp de 1 an 6,12 10 3
bioenergie forestieră, timp de 1 an 1,46 10 3
energia fluvială, timp de 1 an 1,19 10 2

2. 3 Resursele energetice ale lumii

Structura economiei energetice mondiale de astăzi este de așa natură încât 80% din energia electrică consumată este obținută prin arderea combustibilului la centralele electrice, unde energia chimică a combustibilului este mai întâi transformată în căldură, căldură în muncă și lucrul în electricitate. Energia hidroelectrică asigură și un procent semnificativ (aproximativ 15%), restul fiind acoperit de alte surse, în principal centrale nucleare. Nevoile umane sunt în creștere, sunt tot mai mulți oameni, iar acest lucru determină volume gigantice de producție de energie și ritmuri de creștere a consumului acesteia. Astăzi, sursele tradiționale de energie (diverși combustibili, resurse hidro) și tehnologiile de utilizare a acestora nu mai sunt capabile să asigure nivelul necesar de aprovizionare cu energie societății, deoarece acestea sunt surse neregenerabile și cantitatea lor este în scădere rapidă. Și deși rezervele dovedite de combustibili naturali sunt foarte mari, problema epuizării rezervelor naturale în ritmul actual și proiectat de dezvoltare a acestora devine un viitor real și apropiat. Deja astăzi, o serie de câmpuri, din cauza epuizării, se dovedesc a fi nepotrivite pentru dezvoltarea industrială, iar pentru petrol și gaze, de exemplu, trebuie să mergeți în teritorii greu accesibile, îndepărtate, pe rafturile oceanice etc. Prognozorii serioși demonstrează că dacă volumele actuale și ritmurile de creștere ale consumului de energie rămân la 3...5% (și vor fi, fără îndoială, și mai mari), rezervele de combustibili organici se vor usca complet în 70 - 150 de ani.

Oferta limitată de resurse neregenerabile utilizate pentru generarea energiei electrice, chiar și ținând cont de economii, este reflectată în Tabelul 2.1. Dezvoltarea tehnologiilor moderne necesită o creștere a nivelului de utilizare a energiei electrice. În plus, este necesar să ținem cont de faptul că ritmul de creștere a populației ne permite să prognozăm că în 40 de ani vor fi 12 miliarde de oameni pe Pământ, motiv pentru care problemele economisirii energiei sunt atât de presante.

Tabelul 2.1. Resursele energetice ale lumii

În majoritatea țărilor străine dezvoltate, componenta electrică a întregului complex de combustibil și energie ajunge la 35–40%, iar la începutul secolului al XXI-lea a depășit 50%. Energia electrică este introdusă în aproape toate domeniile noi ale industriei, agriculturii și vieții de zi cu zi.

SUA produc aproximativ 2,5 trilioane. kWh de energie electrică, în CSI - aproximativ 1,75 trilioane. kWh Capacitatea totală a centralei electrice în SUA este de 660 milioane kWh, în CSI – aproximativ 350 milioane kWh, iar 30% din aceasta în SUA este în rezervă. În CSI nu există o rezervă la cald, iar rezerva la rece este de 6-8%, în timp ce standardul este de 13%.Gradul de echipamente electrice în Republica Belarus este de 22%, ceea ce este semnificativ mai mic decât indicatorii nu numai de țările dezvoltate, dar media mondială (27%).

Deși țările dezvoltate au încetat să crească consumul de energie pe cap de locuitor în ultimii 25 de ani, creșterea consumului rămâne ridicată datorită creșterii consumului de energie pe cap de locuitor în țările în curs de dezvoltare. În ritmul actual, creșterea industriei de energie electrică va continua mult timp, inclusiv a noastră.