Количественные показатели энергетики

Каждая ступень развития энергетики характеризовалась некоторыми количественными показателями.

Для большинства ступеней таким показателем являлась удельная энергоемкость носителя энергии, выражаемая количеством механической работы (Дж) к единице массы энергоносителя (кг). Единица работы в СИ называется джоулем (Дж). Джоуль равен работе, совершаемой силой 1 Н при перемещении точки ее приложения на 1 м в направлении действия силы: 1 Дж = 1 Н*м. Тут следует дать определение мощности. Мощность - физическая величина, равная отношению работы к промежутку времени, в течение которого она совершена. Единица мощности в СИ называется ваттом (Вт). Ватт равен мощности, при которой совершается работа в 1 Дж за время 1с: 1 Вт = 1 Дж/с.

Закон сохранения энергии раскрывает физический смысл понятия работы. Работа сил тяготения и сил упругости, с одной стороны, равна увеличению кинетической энергии, а с другой стороны, - уменьшению потенциальной энергии тел. Следовательно, работа равна энергии, превратившейся из одного вида в другой. Закон сохранения полной механической энергии в процессах с участием сил упругости и гравитационных сил является одним из основных законов механики.

Для живых "двигателей" измерить удельную энергоемкость достаточно сложно вследствие особых форм восполняемости живого энергоносителя за счет биологической энергии. Тем не менее в отдельных случаях в косвенной форме энергоемкость живых двигателей может быть успешно привлечена для оценки исторических ступеней развития энергетики.

Так, например, если для современного судна водоизмещением 80000 тонн использовать вместо двигателя мускульное усилие людей, как это делалось в античном мире, то для мощности в 70000 л.с. потребовалось бы свыше 2 миллионов гребцов (при трехсменной работе), вес которых без багажа и запасов продовольствия в несколько раз превысил бы вес судна и его водоизмещение [1].

Что касается природных энергоносителей, то здесь показатель удельной энергоемкости выражается достаточно точно цифрами, что позволяет не только объяснить исторические факты, но и сделать прогнозы на будущее.

Носитель гидроэнергии - вода - располагает запасом энергии в зависимости от возможной высоты ее падения в 10, 100, 1000 или 10000 Дж/кг. Рассмотрим такой пример. Для получения электроэнергии широко используется энергия рек. С этой целью строят плотины, перегораживающие реки. Под действием силы тяжести вода из водохранилища за плотиной движется вниз по колодцу ускоренно и приобретает некоторую кинетическую энергию. При столкновении быстро движущегося потока воды с лопатками гидравлической турбины происходит преобразование кинетической энергии поступательного движения воды в кинетическую энергию вращения ротора турбины, а затем с помощью электрического генератора в электрическую энергию [3].

Для расчетов производства электрической энергии гидроэлектростанцией прежде всего необходимо уметь определять кинетическую энергию потока воды, направляющегося на лопатки турбины. Так как вода не падает на лопатки турбины вертикально сверху вниз, а движется по колодцам сложной формы, то расчеты изменения скорости воды на каждом участке ее движения с учетом действия силы тяжести и сил упругости были бы очень сложными. Однако в таких расчетах нет необходимости. Так как на воду действуют только силы тяжести и упругости, изменение ее кинетической энергии при любой траектории движения равно изменению ее потенциальной энергии, взятой с противоположным знаком. Изменение потенциальной энергии воды массой при изменении ее высоты h над поверхностью Земли можно связать соотношением m*g*h (здесь g ускорение свободного падения, равное 9,8 м/с²). Силы упругости при движении воды в колодцах работы не совершают, так как их направление в любой точке перпендикулярно вектору перемещения. Поэтому изменение кинетической энергии воды равно изменению ее потенциальной энергии в поле силы тяжести. Иначе говоря, на какую высоту можно поднять воду, такую удельную энергоемкость и получим в соответствии с m*g*h.

Меньшей энергоемкостью обладает носитель ветровой энергии -воздух, энергоемкость которого зависит от высоты над уровнем моря (атмосферного давления) и силы ветра, к тому же погодные условия постоянством не отличаются. "Бесплатно" получаемая таким образом электроэнергия сильно зависит от погодных условий (силы ветра).

Удельная энергоемкость топлива лежит в пределах 8000 - 46000 кДж/кг. Даже если учесть, что КПД тепловых установок в 3 раза ниже гидравлических, высокая энергоемкость горючего даст вам КПД в десятки тысяч раз больший, чем энергоемкость воды.

Энергоемкость электрической энергии понятие несколько условное, поскольку эта энергия вторична. Во всех случаях получения электрической энергии ее количество, отнесенное к весу генерирующего устройства, незначительно.

Использование ядерной энергетики знаменует громадный скачок к новой качественной ступени развития энергетики. Высокая энергоемкость ядерного "топлива" (горючего) выражается в среднем 83·10¹² Дж/кг по ядрами тяжелых изотопов и 630 · 10¹² по термоядерным реакциям. Это в миллионы раз превышает среднюю энергоемкость обычного горючего. Даже если принять, что в результате возможно использовать только 10% энергии ядерного "горючего", энергоемкость ядерной энергии более чем в 10⁶ раз превосходит энергоемкость обычных видов топлива.

Практическое применение ядерного "горючего" означало бы начало новой эры энергетики, совершенно независимой от "местных" условий [1].