Периоды развития энергетики

В начальный и очень длительный период развития общества человек сам выполнял энергетические функ­ции в процессе производства, являясь единственным дви­гателем инструментов, орудий и простейших технологиче­ских и транспортных машин. Позднее в тех случаях, когда это представлялось осуществимым по характеру производ­ственного процесса и было экономически целесообразно, функции двигателя были возложены на животных. Таким образом, начальный период развития энергетики характеризуется исключительным использованием, так на­зываемой мускульной силы или, точнее, биологической энергии человека и животных. Это − первая ступень раз­вития энергетики − период биологической энергетики, или биоэнергетики.

Следующей, второй, ступенью в развитии энергетики явилось применение энергии неживой природы. Первы­ми источниками этой энергии, привлеченными к энергоснаб­жению производственных процессов, были водные, а несколько позднее − воздушные потоки, приводившие в дей­ствие водяные и ветровые колеса. Эта два вида энергоснабжения − и ветро- и гидроэнергетика − характеризу­ют один и тот же исторический период развития способа производства. Они не только совпадают по времени преимущественно, но и однородны по своей физической сущно­сти, представляя собой непосредственное использование имеющихся в природе источников механической энергии для приведения в движение исполнительных машин. По­этому при, выделении качественно отличной ступени разви­тая энергетики целесообразно объединить родственные по времени, характеру и физическому содержанию гидро- и ветроэнергетику, обозначив их термином механическая энергетика.

Следующая, третья, ступень развития энергетики нача­лась с использования теплоты как источника механической работы. Теплоэнергетика возникла в начале XVIII в. в частной форме водоподъемных двигателей и стала быстро развиваться с конца XVIII в. в связи с внедрением в про­мышленность и транспорт универсального парового дви­гателя.

В конце XIXв теплоэнергетика, являющаяся и в на­стоящее время количественно преобладающей, получила, равно как и гидроэнергетика, значительный стимул к уско­ренному развитию благодаря производству электрической энергии. Электрическая энергия не берется непосредственно из природы, а вырабатывается на тепловых, гидравли­ческих и других электростанциях. Поэтому электроэнерге­тика как вторичная энергетика, привлекаемая благодаря своей транспортабельности и трансформируемости в дру­гие виды энергии, не явилась самостоятельной, независи­мой формой энергетики. Она не заменила первичные теп­лоэнергетику и гидроэнергетику, а наоборот, стимулировала их дальнейшее, весьма ускоренное развитие, знаменуя вме­сте с ними следующий, четвертый, период развития ком­плексной энергетики.

Новым этапом в развитии энергетики явилась возник­шая в середине XXв атомная энергетика, источником ко­торой может служить искусственно вызываемый распад тяжелых или соединение легких ядер атомов.

Последовательные качественные ступени развития энер­гетики могут быть представлены следующим кратким пе­речнем:

1. Биоэнергетика − использование в качестве источника механической работы биологической энергии человека и животных.

2. Механическая энергетика − использование механи­ческой энергии потоков воды и воздуха.

3. Теплоэнергетика − использование в качестве источ­ника механической работы теплоты, выделяющейся при сжигании топлива.

4. Комплексная энергетика − преимуще­ственное использование в качестве первичной энергии теп­ловой и гидравлической, а в качестве вторичной − электри­ческой энергии.

5. Атомная энергетика − использование энергии ядер­ных реакций.

Для перечисленных ступеней развития энергетики ха­рактерен некоторый количественный показатель, свойст­венный каждому из отдельных форм энергии. Таким пока­зателем является удельная весовая энергоемкость носителя энергии, выражаемая отношением количества механической работы к единице веса энер­гоносителя, т. е. в Дж/кг.

Для живых двигателей подоб­ный показатель неприменим 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 океанского судна водоизмещением 80 000 т привлечь в качестве двигателя людей, как это делалось в античном мире, то для необходимой мощности 70 000 л. с. потребуется свыше 2 млн. гребцов. Вес этих гребцов без багажа и запасов продовольствия в не­сколько раз превысит вес самого судна.

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

Носитель гидроэнергии − вода − располагает запасом энергии в зависимости от возможной высоты падения. Так, 1 кг воды при падении, к примеру, с высоты 100м может располагать работой в 981Дж/кг (F=m∙g=1∙9,81=9,81H; A=F∙l = =9,81∙100=981 Дж). Еще меньшей энергоемкостью обладает носитель ветровой энергии − воздух, энергоемкость которого к то­му же постоянно и бессистемно изменяется в зависимости от скорости ветра.

Носитель тепловой энергии − топливо − обладает весьма высокой энергоемкостью. Так теплота сгорания углеводородного топлива в среднем составляет 30 МДж/кг (30000000 Дж/кг). Даже если учесть, что КПД тепловых установок в среднем примерно в 3 раза ниже, чем гидравлических, высокая энергоемкость горючего дает вы­ход практически реализуемой энергии в десятки тысяч раз больший, чем энергоемкость воды.

Энергоемкость электрической энергии является поня­тием несколько условным, поскольку эта энергия вторич­ная, преобразуемая из других видов энергии. Во всех слу­чаях получения электроэнергии ее количество, относимое к весу генерирующего устройства (паротурбогенератор, дизельгенератор, гидрогенератор, гальваническая или аккумуляторная батарея), незначительно. Поэтому с пози­ций удельной энергоемкости электрическая энергия не иг­рает такой роли, как тепловая. Тепловая энергия в силу высокой энергоемкости топлива является монопольной для водного и воздушного транспорта и преобладающей для наземного.

Использование ядерной энергетики с позиций удельной энергоемкости, безусловно, знаменует громадный скачок к новой качественной ступени развития энергетики. Исчисленная удельная энергоемкость ядерного горючего выражается в среднем в 10¹³ Дж/кг , что в миллионы раз превышает среднюю энергоемкость обычного горючего.

Отсюда вытекает ряд новых качеств исключительной значимости. Тысячи вагонов угля, потребляемого ежегодно тепловой электростанцией, могут быть заменены несколь­кими десятками килограммов ядерного горючего, и, таким образом, энергоемкий и дорогостоящий транспорт больших количеств топлива может быть практически исключен.