«Каменный век кончился не потому, что кончились камни, и нефтяной век кончится не потому, что кончится нефть…» (Министр нефти Саудовской Аравии шейх Ахмед З. Ямани). ЭНЕРГЕТИКА - ДОРОГА ЧЕЛОВЕЧЕСТВА В БУДУЩЕЕ Член-корреспондент НАН Украины д.т.н., профессор А.А. Халатов Институт технической теплофизики НАН Украины

2 Физико-технический институт «НТУУ КПИ» Кафедра «Физика энергетических систем» В рамках Отделения целевой подготовки НАН Украины на базе фундаментальных знаний в области физики, математики, компьютерных наук, дисциплин физико-энергетического цикла будет проводиться подготовка специалистов высокой квалификации в области физики энергетических систем. Подготовка в области физики будет соответствовать программе классического университета. Студенты будут направляться на работу, проходить практику, выполнять курсовые и дипломные работы в институтах НАН Украины и научных центрах физико-энергетического профиля. Базовые дисциплины физико-математического профиля будут преподаваться сотрудниками НТУУ «КПИ», а предметы физико- энергетического цикла - ведущими специалистами институтов НАН Украины. К ним относятся термогазодинамика, горение топлив, теория пограничного слоя, компьютерные технологии, традиционные и перспективные источники энергии и др.

Что должны знать и что будут изучать студенты специальности «Физика энергетических технологий» ?

Глобальные проблемы - это такие проблемы, которые определяют судьбу всего человечества. Такие проблемы решаются не отдельными странами, они требуют организованных усилий всего мирового сообщества. 1. Глобальные проблемы человечества Первая группа: проблемы отношений между основными социальными общностями человечества (предотвращение войн и международного терроризма, международный экономический порядок и др.). Вторая группа: проблемы взаимодействия общества и природы (экология, энергетические и сырьевые ресурсы, разумное освоение космического пространства и Мирового океана). Третья группа: проблемы, связанные с системой «индивид- общество» (здоровье, образование, качественное питание, численность населения, развитие нравственных, интеллектуальных и иных задатков человека). Фролов И.Т., Загладин В.В.

Зима г.г.: переохлажденный дождь и мокрый снег парализовали инфраструктуру и жизнь Москвы и ряда областей России. Оборваны провода, нарушена работа аэропортов, городского транспорта, остановились электрички. На особо опасных производствах произошли аварии. На улицах выключились светофоры, на дорогах образовались «пробки», возникли аварии. В городе закрылись магазины, т.к. даже в супермаркетах «таяли» холодильники. Ущерб в России – около 1 млрд. руб. ($330 млн.). Украина, январь 2011: Во Львове в результате аварии электросети обесточена большая часть города. Половина Одессы осталась без света, поврежден магистральный электропровод. Энергия – одна из глобальных проблем человечества, фактор устойчивого развития общества

2. Энергетическая проблема будущего – проблема 1 современной физики На Земле основные запасы энергетических ресурсов сосредоточены в ископаемых углеводородах (уголь, нефть, газ, торф), а также в уране, тории, дейтерии и тритии. Сегодня ископаемое топливо обеспечивает 85% мирового энергопотребления. Находящаяся в углеводородах химическая энергия накоплена тысячелетиями благодаря биологическим и химическим процессам. Все энергетические процессы сводятся к трансформации одного вида энергии в другой в соответствии с законом сохранения энергии. Физика энергетических систем играет первостепенную роль в создании новых и совершенствовании имеющихся новых источников энергии.

7 3. Современная энергетика Тепловая станция Атомная станция Гидростанция Ветростанция Солнечная станция Мощность всей мировой энергетики составляет 1.3·10 7 МВт.

8 Человек не может жить без энергии Дрова. Уголь. Печь. Ветряная и водяная мельница. За время эволюции человек увеличил потребление энергии в сотни раз, а создание машин позволило более эффективно использовать энергию.

9 К 2015 г. мировое потребление энергетических ресурсов возрастет более чем на 50% по сравнению с 1995 г. !!! Мировые запасы: уголь – 500…600 лет, природный газ – 60…70 лет, нефть – 30…40 лет. Рост генерирующих мощностей в мире по видам топлива до 2030 г. Рост мировой добычи нефти, конденсата и газа по годам. В ближайшее 40…50 лет мировая энергетика будет еще базироваться на традиционных энергоносителях - угле и ядерной энергии, но уже остро встает проблема более широкого использования возобновляемых (ветер, солнце, биомасса) и создания альтернативных источников энергии.

10 4. Производство электроэнергии в мире Развитые страны расходуют до 75% всей энергии, вырабатываемой в мире. США – 23%. Китай – 14%. Россия – 7%, Япония – 5%, Индия – 4% Германия – 3%, Франция – 3%, Канада – 3%, Великобритания – 2%. Остальные страны – 36%.

В развитых странах мощность источников энергии составляет более 10 кВт на 1 человека, что почти в 1000 больше средней мускульной силы человека. В Украине – чуть более 1 кВт. Мощность мировой электроэнергетики 1.3·10 7 МВт. ( на одного человека в мире - в среднем около 2 кВт).

12 5. Электроэнергетика Украины Тепловые, атомные и гидравлические электростанции Мощность электростанций Украины – 53 млн. кВт (чуть более 1 кВт/1 чел.), в том числе: Тепловые электростанции – 34.4 млн. кВт (67.5%). Атомные электростанции – 11.8 млн. кВт (23.1%). Гидроэлектростанции – 4.8 млн. кВт (9.4%). _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Энергобаланс Украины (2010 г.): АЭС - 47,4% ТЭС – 41,5% Нетрадиционные источники энергии: менее 1%. _______________________________________________________________________________________________________________________________________________ Рост цен на электроэнергию (промышленность): 2005 г. – 52 млрд. квт-ч. (7 млрд. грн) г. – 38 млрд. кВт-ч. (17 млрд. грн.)

13 Теплоэнергетика (электростанции на угле) является одним из главных производителей электроэнергии и тепла в мире и Украине. Украина: добыча угля – около 100 млн. тонн в год (Китай – 1290 млн. тонн, США – 935 млн. тонн, Польша – 90 млн. тонн). Импорт нефти – до 90%, природного газа – до 80%.

Экологические проблемы энергетики Украины В 2010 г. заводы и фабрики Украины выбросили в воздух 4.1 млн. тонн вредных продуктов (оксиды диоксина, сера, метан и др.). Даже самые мощные фильтры не могут на 100% обезопасить воздух от выбросов. Больше всего по сравнению с 2009 г. выбросы возросли в Днепропетровской (на 150 тыс. тонн), Донецкой (на 70 тыс. тонн) и Запорожской обл. (на 46 тыс. тонн). В 2010 г. автомобили, поезда и самолеты выбросили в атмосферу Украины 2.5 млн. тонн вредных веществ (на 30 тыс. тонн больше чем в 2009 г.).

15 6. Основные направления развития мировой энергетики на ближайший период: Развитие безопасных технологий атомной энергетики нового поколения. Ситуация становится острой. Рост КПД тепловых станций до 45%, единичной мощности – до 1000…1200 МВт. Развитие станций нового поколения с утилизацией СО 2. Развитие парогазовых установок. Применение альтернативных и возобновляемых источников энергии. Низкоэмиссионные методы сжигания топлива (окислы азота и серы), снижение выбросов СО 2 в атмосферу, использование новых термодинамических циклов. Ускоренное развитие энергосберегающих технологий, широкое использование низкопотенциальной теплоты (энергосбережение).

16 7. ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ Солнечная, ветровая, гидро- и гетермальная энергия, энергия морских волн, приливов и отливов, биомасса практически неисчерпаемы. Но они являются рассеянными в пространстве.

Энергия ветра Энергия Солнца Энергия волн, приливов и отливов Энергия рек. Геотермальная энергия Энергия биомассы Энергия, получаемая из возобновляемых источников, пока дороже энергии, получаемой из органических топлив.

18 Экономический потенциал возобновляемых источников энергии Украины оценивается в 20 млрд. тонн условного топлива в год, что в 2 раза превышает объем годовой добычи всех видов органического топлива. КАКОВ ПОТЕНЦИАЛ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ УКРАИНЫ? Главная техническая проблема: недостаточная плотность потока энергии, которая ограничивает использование возобновляемых источников энергии в больших масштабах.

19 К концу 2009 г. установленная мощность ветрогенераторов в мире составила МВт, т.е. в 6 раз больше чем в 2000 г. В марте г. в США из-за роста цен на природный газ и уголь стоимость энергии ветра стала ниже стоимости традиционной энергии. Влияние на климат, шум, вибрации, радиопомехи, использование земли. ЭНЕРГИЯ ВЕТРА Энергия ветра - «рассеянная» в пространстве форма энергии (ограничение по плотности потока энергии). Ветрогенератор мощностью 1 МВт за 20 лет работы экономит около 29 тыс. тонн угля или 92 тыс. баррелей нефти, сокращает ежегодные выбросы в атмосферу СО 2 на 1800 тонн.

ЭНЕРГИЯ СОЛНЦА Солнечная энергия относится к «рассеяной» форме энергии, на 1 м 2 земли падает в год в среднем 0.1…0.2 кВт энергии. (ограничение по плотности энергии: Мощность 100 МВт – площадь 1…2 км 2 ). Лидером в солнечной энергетике являются США и Германия. Две солнечные электростанции общей мощностью 175 МВт вводятся в строй в США в 2012 г. Работающая солнечная электростанция мощностью более 500 МВт занимает площадь 24 кв. км, ее создание стоило около 2 млрд. долл. США ($4000 за киловатт установленной мощности).

21 Мощным источником «рассеянной» энергии являются приливы и отливы морей и океанов, которые могут дать примерно 70 млн. млрд. кВт-часов электроэнергии в год. Это примерно столько же, сколько способны дать все разведанные запасы каменного и бурого угля (ограничение по плотности потока энергии). Огромные энергоустановки, мощность которых можно сравнить с атомными электростанциями, в течение десяти лет появятся в водах Японии. Эти экологически чистые установки будут преобразовывать энергию волн в электрическую энергию. ПРИЛИВЫ И ОТЛИВЫ, ВОЛНЫ МОРЯ И ОКЕАНА Только энергия приливов могла бы обеспечить процветание на Земле тридцати тысяч «Америк» (!!!).

22 ЭНЕРГИЯ РЕК (ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ) В качестве источника энергии используется потенциальная энергия водного потока – практически неиссякаемый источник энергии (реки, плотины и водохранилища). Пример: «Три ущелья» (Китай) – 22.4 ГВт, Красноярская ГЭС – 6 ГВт. Стоимость электроэнергии на ГЭС в 2 раза ниже, чем на тепловых электростанциях. Строительство ГЭС более капиталоёмкое, чем тепловых станций. Ограничение по плотности потока энергии. МиниГЭС (1–500 кВт) - снабжение электроэнергией удаленных объектов. Для работы МиниГЭС достаточно иметь ручей с перепадом уровней в 1-2 метра и скоростью потока более 1 м в секунду.

23 ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ (ЭНЕРГИЯ ЗЕМЛИ) Главным достоинством геотермальной энергии является ее практическая неиссякаемость и независимость от условий окружающей среды, времени суток и года. Установленная мощность геотермальных электростанций в мире на начало 2000-х составляла около 6000 МВт, в конце 2008 г. она выросла до тысяч МВт. Геотермальная энергетика основана на производстве электрической и тепловой энергии за счёт теплоты, содержащейся в недрах Земли до км (ограничение по плотности потока энергии)

24 В 2004 г. во всём мире производили электричество из биомассы общей мощностью МВт. В 2002 г. в электроэнергетике США было установлено 9733 МВт мощностей, использующих биомассу. Из них 5886 МВт - на отходах лесного и сельского хозяйства, а 3308 МВт - на муниципальных отходах. В 2003 г. 4 % всей энергии в США производилось из биомассы. БИОМАССА Биомасса (прежде всего древесина) - пятый по запасам возобновляемый источник энергии (после солнечной, ветровой, гидро- и геотермальной энергии). Применяется для производства тепла, электроэнергии, биотоплива, биогаза (метана, водорода). Перспективное направление: новые фотохимические процессы превращения солнечной энергии в химическую, не имеющие ограничения по плотности потока энергии.

25 ТОПЛИВО ИЗ БИОМАССЫ В ДВС применяется жидкое биотопливо - этанол, метанол, био- дизель. Биотопливо производится при переработке сахарного тростника, семян рапса, кукурузы, сои, целлюлозы, пальмового масла и др. органических продуктов. США и Бразилия производят 95% мирового объёма этанола. В 2007 г. в мире было произведено 54 млрд. литров биотоплива, что составляет только 1.5% мирового потребления жидких топлив. Производство этанола составило 46 млрд. литров. Европа поставила задачу использовать к 2020 г. альтернативное топливо в 10% транспортных средств и 5,75% к 2010 г. В течение следующих 20 лет число автомобилей в мире может удвоиться и даже утроиться, что приведет к быстрому росту цен на нефть и бензин.

26 8. ЭНЕРГЕТИКА БУДУЩЕГО Выход из любого кризиса связан с созданием «прорывных» технологий, в том числе, в области энергетики - снижение потребления углеводородных топлив, развитие альтернативных и возобновляемых источников энергии, снижение воздействия энергетики на окружающую среду. Акад. М. Згуровский (ЗН, ).

Электросатнции с пониженнымм выбросами СО 2 Уголь, вода и кислород подаются в газогене- ратор, где уголь частично окисляется при высоком давлении с образованием синтез- газа (СО + Н 2 ). Реакция синтез-газа с паром для получения газовой смеси, состоящей из CO 2 и водорода, из которой CO 2 извлекается для захоронения (желтые каналы внизу). Богатый водородом синтез-газ сжигается и продукты его сгорания приводят в действие турбогенератор с газовой турбиной. Выхлопные газы газовой турбины направляются в теплообменный парогене-ратор для получения пара, который приводит в действие турбогенератор с паровой турбиной.

28 Водородная энергетика Водород - наиболее распространенный и практически неисчерпаемый элемент на поверхности Земли (до 1 млрд. лет), он обладает наиболее высокой теплотой сгорания, а продуктом сгорания в кислороде является вода, которая вновь вовлекается в процесс. Использование водорода для производства, аккумулирования, транспортировки и потребления энергии в быту, на транспорте и на производстве. Стоимость производства 1 кг водорода: конверсия метана ($2…5), газификация угля ($2…2.5), электролиз воды ($6…7), электролиз воды за счет энергии ветра ($7…11) и Cолнца ($10…30), атомная энергетика ($2…2.3), биомасса ($5…7). В будущем стоимость 1 кг Н 2 может снизиться до $1.5…3. Стоимость Н 2 и бензина могут сравняться в ближайшем будущем.

29 Устройства прямого преобразования химической энергии топлива (Н 2 из газа, угля) в электричество. Выработка электричества происходит с КПД до 70…80% (ограничение по плотности энергии: 200 Вт/м 2 ). Применение ТЭ: сотовые телефоны, автомобили, мотоциклы, суда, производство электроэнергии. Легковые автомобили и автобусы мощностью до 50 кВт переводятся на ТЭ, проекты электростанций мощностью до 500 кВт. Реакция «холодного» горения: Подводная лодка на топливных элементах. Топливные элементы (ТЭ) 2 Н 2 + О 2 = 2 Н 2 О + электричество + теплота (водяной пар и энергия)

30 Термоядерная и ядерная энергетика Реакторы современных атомных электростанций работают на энергии, выделяемой при расщеплении ядер тяжелых элементов. Освоение термоядерной энергии позволит обеспечить человечество энергией на неограниченное время. Ориентировочно - через 60…70 лет. Главная проблема термоядерной энергии – удержание плазмы в магнитном поле при температуре более 100 миллионов градусов в течение длительного промежутка времени (сегодня это менее 2 сек). Солнце – природный термоядерный реактор. Гораздо больший выход энергии может быть получен в термоядерных реакторах при объединении (синтезе) ядер легких элементов в более тяжелые ядра ( процессы на Солнце и в звездах).

Производство электроэнергии с КПД до 50%. Производство электро- энергии и водорода (высокотемпературный электролиз пара). Ядерная энергетика четвертого поколения

32 Термоэлектричество – один из методов прямого преобразования теплоты в электричество. Реализуется в солнечных батареях (фотоэффект), термоэлектрогенераторах (разница температур на концах проводника), магнитогидродинамических генераторах (высокоскоростной и высокотемпературный поток в магнитном поле). Термоэлектрические и ядерные батареи Новый тип наногенератора электроэнергии. Для прямого преобразования теплоты в электричество используется новая термоэлектрическая структура - металлические наночастицы, соединённые органической молекулой (бензолдитиол и др.). Новый термоэлектрический материал (слои углеродных нанотрубок, заполненные золотом и окруженные гидридом лития) позволяет в 20 раз эффективнее преобразовать теплоту радиационного излучения в электричество.

33 Наноэнергетика Использование достижений нанотехнологий в самом ближайшем будущем позволят осуществить технологический «прорыв» в энергетике, атомной энергетике, энергомашиностроении, солнечной и водородной энергетике. Сегодня энергетика является третьим по величине потребителем рынка нанопродуктов. Главные направления наноэнергетики: сверхвысокое охлаждение элементов электроники, новые схемы охлаждения ядерных реакторов, нанодатчики и наносенсоры для глобального мониторинга энергетических объектов, солнечные коллекторы нового поколения, сверхпрочные материалы для парогенераторов и турбин, новые смазочные материалы, суперемкие аккумуляторы тепловой и электрической энергии, сверхпрочные линии связи.

Сверхкритическое состояние вещества Большой интерес проявляется к сверхкритическому состоянию вещества, когда оно находится в промежуточном состоянии - это не газ и не жидкость ( Н 2 О: t кр = С, Р кр = 220,64 бар; СО 2 : t кр = С, Р кр = 73,75 бар ). Вода в этом случае «конечный» кластер с большим дефицитом водородных связей. Сверхкритическая вода растворяет практически все органические вещества (!!!). Сверхкритические технологии – метод конверсии органических веществ в сверхкритической воде (СКВ). СКВ действует как плазма, но при существенно меньших температурах. Уголь, нефтяные стоки, биологические илы, канализационные стоки могут быть растворены в СКВ и преобразованы в горючие продукты или топливо. Технология экстракции отработанного ядерного топлива в СО 2. После насыщения вещество может быть переведено в газообразное состояние (снижение объема жидких радиоактивных отходов). При сверхкритическом состоянии металлы (80% периодической системы) переходят в низкотемпературную плазму, минуя состояние нейтрального газа. Легко испаряются только ртуть, цезий, калий, а остальные – только при импульсном (взрывном) воздействии. Перспективно использование СК- состояния металлов в импульсных энергетических технологиях.

35 Биологические системы Электрический скат. Электрические скаты генерируют электрические разряды напряжением до 220 вольт и мощностью до 1000 ватт. Одиночный электрический разряд ската длится 0.03 секунды, обычно производится серия из 12 … 100 разрядов. Биологический водородно-кислородный топливный элемент «вмонтирован» в живую клетку ската. Источник водорода – жиры, белки и углеводы, кислород поступает с гемоглобином крови. В тканях химическая энергия с высоким КПД преобразуется в электричество, свет (светлячки), тепловую и механическую энергию (низкая плотность потока энергии).

36 В обычном состоянии поведение бактерий является полностью хаотичным. Ученые из Национальной лаборатории Аргона при Министерстве энергетики США разработали устройство, которое заставляет колонию бактерий двигаться упорядоченно, в нужном направлении и с нужной скоростью, приводя в движение шестерни диаметром всего 380 микрон. Масса такой шестерни в миллионы раз превышает массу отдельной бактерии. Биологическая микроэнергетика: колонии бактерий при направленном движении могут приводить в действие микромеханизмы, которые в миллионы раз больше их.

Энергия торнадо Вихревая структура в сферическом углублении при различных условиях обтекания. а: Замедление внешнего потока. б: Безградиентный поток. в: Ускорение потока. «Раскрытие» вихря в углублении определяет градиент давления внешнего потока. - В «глубоком» сферическом углублении (h/D=0.3…0.5) формируется нестационарный вихрь типа «мини-торнадо», флуктуирующий в угловом и продольном направлениях. Используется в теплообмен- ных системах.

Солнечные коллекторы, размещенные на спутнике, будут трансформировать солнечную энергию эффективнее наземного солнечных батарей (в атмосфере рассеивается около 85% солнечной энергии). Спутник, обращающийся на низкой орбите (менее 500 километров), будет передавать на ректенну энергию в форме микроволн, которая будет трансформироваться в постоянный ток. Спутник будет пролетать над островом каждые 90 минут, длительность передачи энергии около 5 мин. - соответственно, ректенна должна будет либо хранить энергию, либо сразу отдавать ее. Солнечная энергия из космоса США планируют провести в 2012 г. эксперимент по передаче солнечной энергии со спутника на Землю. На одном из своих необитаемых островов островного государства Палау (о. Хелен) будет установлена принимающая антенна диаметром около 80 м. (ректенна) со встроенным выпрямителем. Ожидается, что мощность системы достигнет одного мегаватта.

Ранее предполагалось использовать спутники на геостационарной орбите, которые неподвижно висят над заданной точкой Земли и могут передавать энергию постоянно. Это потребовало бы спутника и ректенны гораздо большего размера, причем спутник находился бы примерно в 35 тысячах километров над Землей. Мощность такой системы была бы гораздо выше (до пяти гигаватт), но гораздо выше была бы и мощность передающего микроволнового луча. Вокруг него пришлось бы установить зону безопасности - как на поверхности планеты, так и в атмосфере. Спутник на низкой орбите таких предосторожностей не требует.

40 9. ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ И НАЦИОНАЛЬНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ Основная угроза национальной безопасности Украины – низкая энергоэффективность базовых отраслей промышленности. Энергоемкость внутреннего валового продукта в Украине в 2.6 раз выше среднего уровня энергоемкости в развитых странах мира. Среднее значение в мире кг нефтяного эквивалента на 1 доллар США (Дания – Великобритания – Япония, Франция – США – Россия – Украина – 0.50). В мае 2011 г. Всемирный банк выделил 200 млн. долл. США для финансирования программ энергосбережения. Цель: снижение энергоемкости производства на 20% к 2015 г. и на 50% - к 2030 г. Это снизит потребеление газа на 30% и сократить выбросы СО 2 на 1 млн. тонн в год.

Сегодня мир нуждается в «прорывных», энергетических технологиях, базирующиеся на фундаментальных достижениях физики, математики, термодинамики, теории горения и др. наук. К этой работе должно активно привлекаться молодое поколение НТУУ «КПИ» первым в Украине приступил к подготовке специалистов в области перспективных и альтернативных источников энергии. Такие специалисты будут пользоваться повышенным спросом на мировом рынке труда.