Повышение эффективности энергосистем

Способы повышения эффективности производства энергии

Существует несколько способов повышения эффективности производства энергии:

• создание тепловых электростанций с утилизацией тепловых отходов
• использование комбинированного способа энергопроизводства
• создание магнитногидродинамических регенераторов
• создание систем с прямым преобразованием энергии.

Использование первого способа предполагает применение тепла, полученного при сжигании топлива и не способного превратиться в электроэнергию, для обогрева домов и промышленных зданий и т.д.

Такие станции осуществляют производство и энергии, и тепла.

При втором способе получения электроэнергии тепловая система дополнительно оснащается газовой турбиной, которая вращает якорь электрогенератора, производящего электрический ток. Около 25% образующейся при сжигании горючего тепловой энергии преобразуется в электричество. Горючие газы, которые покидают турбину, нагревают паровые котлы, затем пар подается на паровую турбину.

При третьем способе горячие газы, образующиеся при сгорании топлива, используются в магнитногидродинамических генераторах. В горячие газы добавляют металлический калий, он ионизируется с образованием заряженных частиц. Этот поток газа направляют в канал, окруженный катушками с создающим магнитное поле током. КПД такого генератора составляет всего 40%, и поэтому пока не поучили широкого распространения.

Проблемы прямого преобразования энергии

При мышечной деятельности живых организмов происходит прямое преобразование химической энергии в механическую. В лабораторных условиях удалось осуществить в условиях лаборатории. Для этого синтезировали пленку и пластмассы, она под влиянием щелочей способна растягиваться в два раза и увеличиваться в объеме до 8 раз. Под воздействием соляной кислоты эта пленка сокращается. В процессе этой деформации пленка способна осуществлять механическую работу.

Сравнительно недавно были созданы химические лазеры, в них осуществляется прямое преобразование химической энергии в электромагнитную. Однако коэффициент полезного действия такого преобразования достаточно низок, поэтому эти способы преобразования энергии не используются в промышленных масштабах.

На тепловых станциях электроэнергия преобразуется по традиционной системе: химическая энергия топлива – тепловая энергия – механическая энергия – электроэнергия. Прямое преобразование энергии позволяет увеличить коэффициент полезного действия и сэкономить материалы. В связи с этим по мере истощения энергоресурсов будет возрастать вклад химических источников энергии с прямым преобразованием.

Недавно были предложены топливные элементы, в которых осуществляется прямое преобразование энергии. По принципу действия они схожи с принципом действия электрохимических элементов. Отличие состоит в том, что в топливных элементах электроды являются катализаторами, прямого участия в процессе выработки электрической энергии они не принимают.

Например, топливо в водокислородном топливном элементе окисляется на аноде, высвобождая электроны. Тогда между анодом и катодом возникает разница потенциалов. Катод изготавливают из пористого никелькерамического сплава с добавлением частиц серебра. Анод изготавливают из этого же сплава, но добавляются никелевые частицы. Килограмм водорода в водокислородном элементе способен дать в десять раз больше энергии, чем выделяется энергии в процессе сгорания килограмма бензина. В процессе в водородокислородном элементе образуется вода, а не выхлопные газы, как в двигателе внутреннего сгорания. Однако, несмотря на такое преимущество, эти элементы не нашли широкого применения из-за проблем, связанных с ценой и надежностью. Для успешной конкуренции водородокислородного элемента с бензиновым водород должен быть дороже бензина не больше, чем в 10 раз. К тому же, для решения проблемы безопасного хранения и транспортировки водорода необходимы серьезные технические совершенствования.

В последние годы автомобилю с электрическим двигателем уделяется достаточно много внимания. Немецкой компанией BMW был продемонстрирован электромобиль с серно-натриевым аккумулятором. За 20 секунд он способен разогнаться до 96 км/ч. Пробег между подзарядками составляет 270 км. Однако из-за высокой рабочей температуры такого аккумулятора он является достаточно взрыво- и пожароопасным.

Топливно-гальванические элементы представляют большой практический интерес. Особенно это касается воздушно – алюминиевых топливно-гальванических элементов. Катодом в них служит угольно-графитовая пластина с поступающим в него кислородом. Анод – пластина, выполненная из алюминиевого сплава с электролитом, например, водный раствор поваренной соли. Такой элемент вырабатывают энергию самостоятельно, значит, он не нуждается в подзарядке. Коэффициент полезного действия в процессе окисления достигает 80%. Килограмм алюминия, сгоревшего при комнатной температуре, может выделить такое количество энергии, какое образуется при сгорании килограмма каменного угля при очень высокой температуре.

Воздушно-алюминиевые источники энергии имеют несколько положительных сторон:

• простота конструкции
• безопасность при эксплуатации
• отличные удельные энергетические характеристики.

Но при этом имеется один существенный недостаток – это высокая цена материала для анода, которая обусловлена большой энергоемкостью производственного процесса. Избавиться от этого недостатка можно при внедрении новой технологии получения алюминия. Освоение такой технологии существенно снизить цену на алюминий и его сплавы.

Недавно были разработаны литий-йодные батареи с прямым преобразованием энергии. В обычных батареях используется водный электролит. Литий-йодные батареи функционируют на твердом йодном электролите. Это дает возможность получить большую емкость и увеличить срок службы при минимальных размерах батареи. Срок службы литий-йодных батарей составляет около 10 лет. Применение таких батарей позволит снизить количество операций по вживлению электрокардиостимулятора.