Повышение эффективности энергосистем

В настоящее время известно несколько способов повышения эффективности энергосистем:

· создание тепловых электростанций с утилизацией тепловых отходов;

· применение комбинированного способа производства электроэнергии;

· создание МГД генераторов;

· разработка энергосистем с прямым преобразованием энергии.

На тепловых станциях с утилизацией тепловых отходов часть тепла, энергетически невыгодного для получения электроэнергии, используется для обогревания зданий и сооружений. Эти станции производят и тепло, и электроэнергию.

При комбинированном способе получения электроэнергии в парогазовых установках (ПГУ) к обычной тепловой системе подключается газовая турбина. Эта турбина приводится в движение потоком газов – продуктов сгорания и вращает якорь электрогенератора. При этом около 25% тепловой энергии сжигаемого топлива превращается в электрическую. Горячие газы, покидающие газовую турбину, нагревают паровые котлы, полученный пар подается на паровую турбину. Эффективность парогазовых установок достаточно высока. Например, построенная в 1999г. ПГУ в Великобритании имеет термический КПД 60%.

Одним из способов повышения эффективности производства энергии является применение МГД-генераторов. Принцип действия МГД генератора заключается в следующем. В горячие газы, образующиеся при сгорании топлива, добавляют металлический калий, который легко ионизируется с образованием заряженных частиц. Поток горячего газа с заряженными частицами представляет собой низкотемпературную плазму. Плазма направляется в специальный канал, который находится в магнитном поле. Электрический ток возникает при перераспределении заряженных частиц в магнитном поле и снимается с помощью электродов, расположенных вдоль канала. После выхода из канала горячие газы используются для получения пара. Пар направляется на турбину, соединенную с генератором, дающим электрический ток. Таким образом, в МГД-системе происходят два процесса: прямое преобразование энергии низкотемпературной плазмы в электрическую энергию и превращение тепловой энергии в электрическую. Предполагается, что комбинация обычной теплоэлектрической системы с МГД-генератором позволит получить КПД около 65%. Работы по созданию МГД-генераторов ведутся с 50-х годов XX в., однако пока не удается получить КПД выше 40%. В связи с этим широкого промышленного применения МГД-генераторы пока не нашли.

Перспективным представляется прямое преобразование энергии, исключающее энергетические потери на промежуточных стадиях. Прямое преобразование химической энергии в механическую происходит, например, при сокращении мышц. Подобное преобразование удалось имитировать в лабораторных условиях при воздействии щелочей и кислот на специально синтезированную полимерную пленку. Растягиваясь или сокращаясь в результате химических реакций, пленка совершает механическую работу. Промышленного применения эти эксперименты не нашли. Вряд ли в ближайшем будущем найдет промышленное применение для производства энергии химический лазер, в котором атомы возбуждаются за счет энергии химической реакции. КПД такого превращения очень низок.

Устройства с прямым преобразованием химической энергии в электрическую – батарейки и аккумуляторы – известны давно. Эти устройства не обладают большой мощностью. В последнее время сконструированы водород-кислородные топливные элементы, принцип действия которых аналогичен принципу действия электрохимических элементов. В топливных элементах электроды служат катализатором и не принимают непосредственного участия в выработке электроэнергии. Из 1 кг водорода в водород-кислородном топливном элементе можно получить в 10 раз больше энергии, чем при сгорании 1 кг бензина в двигателе внутреннего сгорания. При этом отработанным продуктом топливного элемента является вода, а не вредные выхлопные газы. Однако широкое распространение таких топливных элементов ограничивается высокой стоимостью водорода и проблемами его безопасного хранения и транспортировки.

Сравнительно недавно разработаны литий-иодные батареи с прямым преобразованием химической энергии в электрическую. Эти батареи применяются в электрокардиостимуляторах. Представляет практический интерес использование топливно-гальванических элементов, особенно воздушно-алюминиевых.

При разработке новых модификаций преобразователей химической энергии в электрическую особое внимание уделяется повышению их мощности, снижению себестоимости вырабатываемой электроэнергии и безопасности эксплуатации.