В прошлом столетии человечество проникло в атом, открыв тем самым новый источник энергии. Но для её использования оно стало строить гигантские кипятильники.
Всё бы ничего. Но 70% извлечённой из атома энергии отправляется нагревать планету. Поэтому вовсе неудивительно, что климат нашей планеты стремительно меняется далеко не в лучшую сторону.
В статье раскрывается возможный путь, как сократить негативное влияние на климат этого источника энергии, а также том, как из того же количества топлива получать до трёх раз больше электроэнергии!
Также приоткрывается дорога к созданию альтернативного источника энергии.
Ну и конечно же говорится о том, почему формула Карно не всегда верна.
Возрождение атомной энергетики началось
Прямо сейчас в мире разворачивается высокотехнологичный бум, который будет драйвить мировую экономику ближайшие лет 30.
В мире наметился взрывной рост мирового энергопотребления. Происходит постепенный отказ от углеродной энергетики. Растет спрос на стабильную генерацию для дата-центров и AI-инфраструктуры.
Интерес к атомной энергетике усиливается как со стороны государств, так и со стороны инвесторов. Отрасль возвращается в фазу устойчивого развития после десятилетий затишья.
Сегодня в мире работают более 400 реакторов. И еще столько же находятся в разработке.
Евросоюз включил атомную энергетику в разряд «зеленых», а США внедрили налоговые стимулы.
Средний возраст реакторов в мире – 30 лет, что стимулирует строительство новых мощностей.
Все указывает на растущий спрос в данном секторе. Но что происходит в отрасли с позиции технологий?
КПД современных атомных электростанций по-прежнему находится на довольно низком уровне: 28-32%. Это значит, что лишь около 30% извлечённой из атома энергии превращаются в другой вид энергии - электроэнергию. Оставшиеся же 70% превращаются в тепло, но при низкой температуре. Человечество не нашло лучшего способа, чтобы её выбросить в реки или атмосферу, что вкупе с другими факторами и приводит к прямому нагреву планеты и изменениям климата.
Прежде всего следует отметить, что сбрасываемая тепловая энергия – это энергия. Вне зависимости от того, при какой температуре она находится. Значит, можно предположить, что она может быть доработана и преобразована в другой вид энергии, например, электроэнергию. Если удастся это осуществить и повысить КПД использования топлива на АЭС до 90%, то нагрузка от данного источника энергии на климат сократится с 70% неиспользуемого тепла до 10%, т.е. в немыслимые 7 раз! Вклад же в снижение нагрузки на климат при внедрении решения во всем мире, если такое решение будет найдено, будет потрясающим! Но одновременно с этим вырастут втрое и доходы от генерации, а количество производимых ядерных отходов снизится!
Вступление
Если вас не интересуют технические тонкости и физические принципы, я рекомендую пролистать в конец статьи в раздел «Перспективы» и «Альтернативная энергетика». Если понравится – вернуться и перечитать сначала.
А мы начинаем.
Решение любой проблемы всегда начинается не с поиска решения, а с детального описания причин проблемы. Лишь после этого можно начать думать над тем, как эту проблему решить. Если проблема в деталях не ясна, то не имеет никакого смысла пытаться найти решение. Ведь без понимания того, что в итоге необходимо достичь, все ваши попытки будут тщетными. Целью данной статьи является указать на новый взгляд на истинную причину низкого КПД современных АЭС.
Но так уж сложилось, что принцип выработки электроэнергии на АЭС (цикл Ренкина) во многом схож с принципом выработки электроэнергии на ТЭС, где в качестве топлива используется газ, уголь, мазут. Поэтому если удастся определить причину низкого КПД АЭС, то одновременно удастся определить и причину низкого КПД ТЭС, показать которого тоже далек от идеала и едва ли превышает +/-55%.
Если вы не привыкли читать лонгриды, считаете себя специалистом, и ищете быстрый ответ, то скажу коротко, что причина низкого КПД теплоэлектростанций – это неиспользуемая «скрытая» теплота парообразования (энергия фазового перехода). Для тех, кто в теме, этого будет достаточно, чтобы меня понять.
Я же стремлюсь излагать свои мысли так, чтобы быть понятным даже человеку, мало понимающим что-либо в данной отрасли. Поэтому более простое и детальное объяснение даётся далее по тексту.
Цикл Ренкина
В настоящее время около 80% мировой электроэнергии вырабатывается из тепла на так называемом цикле Ренкина. Данный цикл был предложен Уильямом Джоном Ренкиным около 170 лет назад и за прошедшие годы не претерпел существенных изменений. Этот принцип применяется и на атомных электростанциях.
Он подразумевает подвод тепловой энергии к испарителю (1), что приводит к кипению содержащейся в нем воды и образованию пара. Пар направляется в сторону конденсатора (3), и проходя через паровую турбину (2), совершает работу и приводит во вращение турбину и генератор (5). В результате этого давление и температура пара снижается. Оставшийся отработавший пар поступает в конденсатор, где конденсируется с помощью воды охлаждения. Образовавшийся конденсат возвращается насосом (4) обратно в испаритель и процесс повторяется.
Однажды я принялся анализировать причины низкого КПД на АЭС и пришел к необычному выводу.
Почему формула Карно не всегда верна
Во всем мире принято считать, что КПД тепловой машины зависит от разницы температур.
Но так ли это? Давайте разбираться.
Работа любого теплового двигателя основана на изменении энергетического состояния его рабочего тела. Например, в двигателе Стирлинга, где функцию рабочего тела выполняет газ, тепловая энергия подводится к нагревателю, что повышает энергию рабочего тела. Далее газ совершает работу по перемещению поршня, в результате энергия газа уменьшается, и он при этом охлаждается. После чего газ поступает в холодильник, где он доохлаждается за счет теплообмена до первоначальной температуры, и энергия газа возвращается в первоначальное состояние. Далее вновь начинается нагрев рабочего тела и процесс повторяется.
Причем, тепловая энергия, подведенная к нагревателю, измеряется не в градусах, а в джоулях; совершаемая газом работа тоже измеряется в джоулях, и отводимая от системы тепловая энергия тоже измеряется в джоулях. Поэтому разумнее было бы считать КПД через джоули.
Вернемся к тому, как была выведена формула Карно. Изначально расчет исходил именно через энергию, т.е. джоули:
где Qп и Qо – это подведенная к устройству и отведенная от него энергия в джоулях.
Причем разница между подводимой и отводимой энергиями к устройству равна величине совершаемой работы A = Qп - Qо, которая тоже измеряется в джоулях. Пока все сходится.
Принято считать, что энтропия рабочего тела S связана с его энергией Q и температурой T формулой:
где ΔQ – изменение энергии вещества в джоулях, T – температура в Кельвинах.
Тогда, подставив (2) в (1):
Так мы перешли от джоулей к градусам.
Но мало кто указывает на факт: чтобы КПД менялся вслед за температурой линейно, энтропия и энергия рабочего тела тоже должны меняться линейно от температуры!
Но на практике все иначе: если процесс изменения температуры вещества линейный, то процесс изменения энергии вещества – не всегда линейный!
Рассмотрим подробнее.
Первый случай. Рабочее тело азот.
Давайте представим, что роль рабочего тела в нашей тепловой машине выполняет азот.
Построим график зависимости его энергии от температуры в диапазоне температур от 0K до 473К.
За точку отчета, соответствующей нулю джоулей тепловой энергии примем 0K.
При такой температуре азот будет находиться в твердом состоянии. Формула W = nRTln(V₂/V₁) в данном случае неприменима для оценки величины его внутренней энергии, т.к. она описывает энергию газа. Поэтому можно зайти с другой стороны и посчитать энергию азота через теплоемкость и энергию его фазового перехода, а оттуда посчитать его энтропию.
Теплоемкость льда азота равна c(N2 тв.) = 927 Дж/кг*K
По мере роста его температуры его энергия будет меняться по формуле: Q=cm*ΔT, где с – теплоемкость, m – масса, Т – температура.
Примем для простоты понимания массу азота неизменной и равной 1кг на всем диапазоне измерения температуры.
Тогда, для изменения энергии твердого азота на каждый градус потребуется 927 Дж тепловой энергии, пока он не достигнет температура плавления, равной 63 К. Чему будет соответствовать энергия 58401 Дж.
Для его плавления потребуется подвести еще 140 Дж энергии, но при фазовом переходе твердое тело-жидкость его температура не поменяется. Изменится только его фазовое состояние. Итого, его энергия после плавления будет равна 58541 Дж.
Для нагрева килограмма жидкого азота потребуется тратить еще 1040 Дж/К энергии, пока он на достигнет температуры испарения 77К (-196*С).
Для превращения жидкого азота в газ потребуется 198 Дж энергии.
А для его последующего нагрева до 473К потребуется тратить 1041 Дж на каждый килограмм*градус.
Я свел в таблицу итоговые значения энергии азота от температуры.
Нанесем эти значения на график, и мы увидим, что энергия азота меняется линейно во всем диапазоне температур. Также будет меняться и его энтропия – линейно в зависимости от температуры. Безусловно, есть некоторые отклонения, но они находятся в пределах нескольких процентов, чем можно пренебречь. Пока все сходится и формула Карно верна!
Но совсем иной будет картина для теплоэлектростанции, где в качестве рабочего тела используется вода и водяной пар.
Второй случай. Рабочее тело – вода.
Я не буду переписывать, как проводился расчет. Он аналогичен расчету для азота; меняются только цифры. Тем более, что это школьный курс физики 8 класса.
Данные для расчета:
Начальная температура льда: 0К
Теплоемкость льда: 2056Дж/кг*К
Температура плавления льда: 273К
Теплота плавления льда: 2.100.000 Дж/кг
Теплоемкость воды: 4200 Дж/кг*К
Температура кипения воды: 373К
Теплота парообразования: 2.300.000 Дж/кг
Теплоемкость пара: 2200 Дж/кг
Итоговые данные зависимости энергии молекул воды от температуры сведены в таблицу. Нанесем значения на график.
Во-первых, отчетливо видны два скачкообразных изменения энергии в области температуры плавления льда (AB) и испарения воды (CD).
Во-вторых, теплоемкости льда, воды и пара отличаются, что делает наклон кривых OA, BC, DE не параллельными друг другу и ни о каком линейном изменении энтропии, едином для этих трех участков, говорить не приходится. Отмечу также, что теплоемкость пара в значительной степени меняется от его температуры и давления, что приводит к задергиванию кривой DE вверх (на графике не отражено). Не буду делать из этого лонгрид. В данном случае это несущественно. При желании вы можете самостоятельно проанализировать эту информацию.
Вывод, к которому я вас хочу вас подвести: поскольку энергия молекул воды меняется нелинейно в зависимости от температуры, то и энтропия будет меняться нелинейно, а скачкообразно. И формула Карно в этом случае будет неточна!
Причем, наибольшие отклонения между формулой расчета КПД через джоули и через градусы будет фиксироваться в областях фазового перехода рабочего тела «твердое тело - жидкость» (AB) и «жидкость - газ» (CD).
К чему это приводит на практике – посмотрим ниже.
Назад к проблеме АЭС
Когда вода в испарителе на АЭС переходит из жидкого состояния в газообразное, пару сообщаются два вида тепловой энергии: в виде температуры, и в виде теплоты парообразования (энергии фазового перехода).
Далее пар проходит через турбину и тепловая энергия, представленная температурой, «отбирается», превращаясь в полезную работу по вращению турбины, и температура пара снижается. Но попавший в конденсатор пар по-прежнему остается газом, только при низкой температуре и содержит в себе исходное количество теплоты парообразования, полученное при испарении. Далее пар конденсируют с помощью воды охлаждения и теплота парообразования высвобождается обратно, но уже в конденсаторе, приводя к его нагреву.
Выходит, что тепловая энергия, представленная теплотой парообразования, переносится от испарителя к конденсатору, но не принимает участие в генерации! И если энергия пара, зависящая от температуры, «оседает» на турбине и превращается в другой вид энергии – работу, то теплота парообразования проходит сквозь паровую турбину, как свет через стекло.
Теплота парообразования для воды равна 2,3 МДж/кг и это значение слабо зависит от температуры, при которой происходит фазовый переход «жидкость-газ», «газ-жидкость». Это очень большое количество энергии и его достаточно, чтобы нагреть тот же килограмм воды на 550 градусов!
Если теперь взглянуть на соотношение этих двух энергий, то станет понятно, что на АЭС на долю участвующей в генерации тепловой энергии (зависящей от температуры) приходится около 40% произведенной энергии, а на теплоту парообразования – 60%. В работу в турбине превратится, скажем, 80% от первой. От второй – ноль. И мы получим итоговое КПД = 40%*80% + 60% * 0 = 32%. Именно это мы и получаем на практике.
Обращаю внимание: если разделить мух от котлет, то КПД использования первого типа энергии на АЭС достигает 80-90%! Если же смотреть на фарш в среднем, то 30%.
На рисунке приведено примерное соотношение двух типов энергии на АЭС.
Проблему можно было бы отчасти решить повышением температуры, как это делается на ТЭС, где пар дополнительно перегревается, и его температура повышается до 550 градусов и более. Тогда соотношение этих двух энергий меняется и на долю энергии, представленной разницей температур, приходится уже порядка 70% тепловой энергии, а на теплоту парообразования – 30%. КПД генерации заметно увеличивается. И мы получаем на практике КПД для ТЭС, близкое к 55-60%
Но на АЭС используется насыщенный водяной пар и возможность его перегрева отсутствует. Поэтому его температура не может быть выше критической в 374 градуса Цельсия. В результате КПД генерации на АЭС оказывается низким и на единицу произведенной электроэнергии более двух единиц энергии сбрасывается в атмосферу в виде неиспользованного тепла.
Это и является причиной низкого КПД АЭС и ТЭС – неиспользуемая «скрытая» теплота парообразования.
Более наглядно поток энергии на АЭС от испарителя к конденсатору приведен на рисунке ниже.
Примечание. Чтобы было понятно, как происходит потеря энергии, постараюсь объяснить на пальцах: у нас есть два пути для тепловой энергии, которая движется от испарителя к конденсатору. Верхний путь – где энергия превращается в другой вид энергии – работу и электроэнергию (что и требуется). Но между испарителем и конденсатором (фиолетовый участок) мы поставили теплообменник, и более половины энергии проходит не через турбину, а в обход нее направляется в конденсатор так, как если бы мы напрямую грели конденсатор. Там эта энергия превращается в тепло, только при низкой температуре, откуда отправляется обогревать атмосферу. Привет, потери!
Тупиковое направление
Путь, по которому шло человечество прошедшие 170 лет – это повышение температуры носителя. За счет повышения температуры пара, количество тепловой энергии, приходящейся на первый тип энергии, увеличивается, но теплота парообразования так и остается константой. Общий КПД растет, но вклад теплоты парообразования в общий поток энергии все равно остается огромным.
Мы бы могли снизить влияние теплоты парообразования до нескольких процентов, подняв тем самым КПД генерации до 80-95% и возможно более. Но нам необходимо было бы нагревать пар до температуры, скажем 10000 °С. Однако, мы не можем бесконечно поднимать температуру пара, т.к. обязательно упремся в потолок жаропрочности материалов паропровода, лопаток турбины и прочего. Достигнутый практический предел температуры на ТЭС – это 850 градусов. Дальше расти некуда. Материалов, способных работать при более высоких температурах и давлениях, пока не придумано!
Решение
Но есть и другой путь – это использовать для генерации второй тип энергии – теплоту парообразования. И если нам удастся со временем добиться КПД использования этого типа энергии в 80-90% (очевидно, что достичь таких показателей мы сможем далеко не сразу), то мы повысим КПД атомной электростанции с 28-32% до 80-90% и возможно даже более! Т.е. станет возможным получать до трех раз больше энергии из того же количества топлива! Но даже если нам удастся вовлечь в генерацию на АЭС хотя бы 10% теплоты парообразования, то общий КПД станции увеличится с 30% до 37%, т.е. в 1.23 раза, что уже будет означать огромный рывок в отрасли!
Перспективы
Раз есть проблема, то должно быть и решение.
Учитывая, что проблема стала известна мне более 8 лет назад, то я не стал бегать по всей Вселенной и извещать мир о своем открытии, а решил основательно исследовать свойства теплоты парообразования и того, с чем ее можно съесть. Всесторонний анализ показал: если идти в это направление, то открываются возможности, далеко выходящие за рынок энергетики и решение найдет применение не только в промышленности, но и в быту. Также можно сказать, что решение этой проблемы открывает широчайшие возможности в области альтернативной энергетики и низкотемпературной генерации.
Я было приготовил текст по этому поводу. Но вдруг заметил, что больше, чем наполовину мои статьи никто не читает. Поэтому я рубанул топором весть текст ровно пополам. И об известном мне решении и сферах применения мы поговорим в следующей статье.
Продолжение следует...
С уважением,
инженер ООО "КриоГаз-Тула", Чекалин Андрей.
