Как обстоит дело с транспортом энергии?

Потребление электроэнергии растет с каждым годом. Вместе с тем места расположения электростанций не могут быть выбраны произвольно: для ГЭС они определяются гидроэнергоресурсами, для ТЭС в большой мере зависят от месторасположения ресурсов топлива и источников водоснабжения, для АЭС имеется возможность гораздо более широкого выбора, но и в этом случае должен быть поблизости источник водоснабжения (вспомним, что при эксплуатации ТЭС и АЭС требуется большое количество охлаждающей воды для конденсации пара).

Правда, за последнее время все более широкое использование получают так называемые градирни - устройства, предназначенные для охлаждения воды

Схема устройства градирни представлена на рис. 20. Как видно из рисунка, вода, которую требуется охладить, подается на некоторую высоту, откуда стекает вниз небольшими струйками. Навстречу им поступает за счет создающейся тяги (тем большей, чем выше градирня) атмосферный, относительно холодный воздух. Охлаждение стекающей вниз воды происходит главным образом в результате ее частичного испарения. Охлаждаемая вода, как это показано на рис. 20, снова подается в конденсатор.

Рис. 20. Схема оборотного охлаждения воды в градирнях: 1 - градирня; 2 - конденсатор турбины; 3 - циркуляционный насос; 4 - вход холодного воздуха; 5 - выход нагретого воздуха; 6 - оросительное устройство

Как уже сказано, за последние годы градирни получили широкое распространение. Например, в Москве почти все ТЭЦ, за исключением Фрунзенской и Первой МГЭС (МГЭС - Московская городская электростанция имени Р. Э. Классона), имеют градирни, что объясняется малым стоком реки Москвы.

Эти два обстоятельства - рост потребления и, следовательно, производства электроэнергии и отсутствие свободы в выборе места расположения электростанции - делают транспорт энергии одним из важнейших вопросов современного развития энергетики.

Для ТЭС, вырабатывающих в настоящее время около 80% электрической энергии, речь может идти как о передаче электроэнергии, так и о транспорте топлива. Все зависит от того, что экономически выгоднее. Следует при этом иметь в виду, что расстояния могут быть очень большими, измеряемыми тысячами километров. Например, в случае передачи электроэнергии от казахстанских и сибирских электростанций в европейскую часть СССР или при транспортировке нефти и газа из Западной Сибири.

При выборе места расположения ТЭС и ГЭС должны учитываться транспортные расходы. Для ТЭС могут рассматриваться и сопоставляться передача электроэнергии по проводам, железнодорожный и трубопроводный транспорт топлива. Для ГЭС возможна, конечно, только передача электроэнергии.

Что касается АЭС, то они находятся в выгодном положении: близость источника водоснабжения и вопросы безопасности - единственное, что связывает выбор места расположения АЭС. В этом, в частности, также заключается большое преимущество АЭС.

В настоящее время наиболее выгодным видом транспорта энергии среди всех, названных выше, считается перекачка нефти и нефтепродуктов по трубопроводам. Близка к ней по экономичности перевозка нефти и продуктов ее переработки в больших танкерах. Именно вследствие малых затрат на транспортировку мировые цены на нефть мало зависят от места ее потребления. Как и все жидкости, нефть почти несжимаема, и поэтому расход энергии на ее перекачку определяется только необходимостью преодоления сил трения в трубопроводе, т. е. является относительно малым. В электроэнергетике, однако, нефть и получаемые из нее продукты используются все меньше. Эта тенденция в дальнейшем не только сохранится, но и усилится.

Перекачка по трубопроводам природного газа стоит уже значительно дороже. Так как газ сжимаем, то вместо употребляемых на нефтепроводах насосов здесь приходится использовать компрессоры. Расход энергии на перекачку газа гораздо больше, чем нефти.

Для снижения стоимости транспорта газа по трубопроводам приходится повышать давление перекачиваемого газа примерно до 75 - 100 атм, увеличивать диаметр газопровода приблизительно до 1,2 м. При подаче таким газопроводом около 30 млрд. м³ в год (т. е. примерно 30 млн. т газа) расходы на его перекачку составят величину, близкую к 3 руб. за 1 тут при расстоянии перекачки, равном 1000 км. Из этого следует, что цена природного газа существенно зависит от расстояния, на которое он транспортируется.

Представляет большой интерес перекачка газа в сжиженном состоянии. В этом случае, как и при транспорте нефти, приходится иметь дело с практически несжимаемой жидкостью. Поэтому расход энергии на перекачку резко снижается, а диаметр трубопровода при этом же количестве транспортируемого газа может быть выбран гораздо меньше.

Препятствиями в использовании этого способа перекачки природного газа являются следующие. Поскольку сжиженный природный газ имеет низкую температуру (порядка - 150°С), металл, из которого сделаны трубы, должен длительно и надежно работать в таких условиях, но он стоит значительно дороже. Кроме того, необходимы дополнительные, и не малые, средства на строительство завода для сжижения природного газа.

Что касается транспорта угля на дальнее расстояние, то в настоящее время для этой цели используется только железнодорожный и водный транспорт. Подсчитано, что при перевозке груза по железной дороге при скорости 100 км/ч расход энергии составляет около 0,12 кВтхч/(тxкм), т. е. почти в 4 раза меньше по сравнению с автомобильным транспортом и более чем в 60 раз меньше по сравнению с авиацией.

Действительно, железнодорожный транспорт является сравнительно недорогим средством перевозки грузов. Что касается угля и других видов твердого топлива, то здесь очень многое зависит от того, какого качества уголь (твердое топливо) мы перевозим.

В самом деле, оплата за перевозку зависит главным образом от массы груза. Если транспортируемый по железной дороге уголь имеет в одном случае в 2 раза более низкую теплотворную способность, чем в другом (допустим, за счет большего содержания в угле в первом случае золы и влаги), то в конечном итоге окажется, что перевозка угля в первом случае обошлась в 2 раза дороже. Действительно, нельзя же даром возить балласт: влагу и золу.

Поэтому если приходится перевозить уголь по железной дороге, то надо предварительно позаботиться о его обогащении: обеззоливании и подсушке. Уголь же низких сортов вообще транспортировать невыгодно.

За последнее время проявляется большой интерес к транспорту угля по трубопроводу в контейнерах и в виде пульпы, т. е. примерно 50-процентной смеси измельченного угля с водой. Это направление действительно интересное.

Более универсальным средством транспорта энергии являются линии электропередачи, или, как их кратко именуют, ЛЭП. Назначение ЛЭП-не только односторонняя передача энергии, как это производится, например, с помощью нефте- и газопроводов, но и осуществление связи между отдельными электростанциями и целыми энергетическими системами. Такая связь помогает повысить надежность работы энергосистемы, сократить необходимый резерв мощности, облегчить работу системы в периоды максимальной и минимальной потребности в электроэнергии.

По основным экономическим показателям - удельным капиталовложениям и эксплуатационным расходам, т. е. по приведенным затратам, - ЛЭП уступают не только нефтепроводам, но и газопроводам. Что касается перевозки угля на дальние расстояния железнодорожным транспортом, то ее экономичность близка к экономичности ЛЭП.

Общая тенденция развития дальних линий электропередачи - повышение электрического напряжения: чем оно выше, тем меньше электрический ток и, следовательно, тем меньше потери электроэнергии в проводах. Кстати говоря, характер этих потерь обычный: электрическая энергия превращается в тепловую, а эта последняя рассеивается.

Главное, что ограничивает повышение напряжения в ЛЭП - проводимость воздуха. Дело в том, что дальние линии электропередачи в настоящее время делаются воздушными. Это значит, что металлические провода, по которым течет электрический ток, с помощью специальных опор и изоляторов подвешиваются в воздухе. Электрическое сопротивление воздуха должно быть достаточно большим, чтобы не происходило «пробоя воздуха». Беда заключается в том, что проводимость воздуха резко растет после достижения определенного предела по напряжению.

Широко применяемые в настоящее время воздушные дальние линии электропередачи подразделяются на два основных типа: ЛЭПЕ, работающие на переменном токе, и ЛЭП на постоянном токе. Каждый из этих двух типов ЛЭП имеет свои преимущества и недостатки.

ЛЭП на постоянном токе, получающие все более широкое применение, имеют следующие главные достоинства. Во-первых, ввиду более высокого допустимого рабочего напряжения в линии (в 1,5-2 раза больше, чем для ЛЭП на переменном токе) ЛЭП на постоянном токе могут сооружаться на более дальние расстояния. Во-вторых, в случае применения ЛЭП на постоянном токе для связи между собой энергетических систем исключается необходимость в синхронизации систем и строгом уравнивании их частот. Следовательно, ЛЭП на постоянном токе делают энергетические системы более устойчивыми.

К недостаткам ЛЭП на постоянном токе относятся следующие. Необходимость иметь два преобразователя тока: один на передающем конце линии для превращения переменного тока в постоянный и другой на принимающем конце линии для преобразования постоянного тока в переменный. Хотя в преобразовательной технике за последнее время достигнуты большие успехи (в частности, на место вакуумных устройств пришли более совершенные полупроводниковые), тем не менее стоимость преобразователей остается высокой. Она составляет весьма значительную долю в стоимости всей ЛЭП. Естественно, доля стоимости преобразователей будет тем меньше, чем большую протяженность имеет линия.

Кроме того, поскольку на ЛЭП устанавливаются из соображений экономии капитальных вложений только два преобразователя тока на передающем и принимающем концах линии, производить промежуточный отбор энергии невозможно.

С учетом всего сказанного можно предполагать, что ЛЭП на постоянном токе будут использоваться в дальнейшем для передачи электроэнергии на дальние расстояния. Например, из Восточной Сибири, где имеются огромные ресурсы угля и гидроэнергии, в европейскую часть СССР.

В Советском Союзе достигнуты большие успехи в создании современных ЛЭП как на переменном, так и на постоянном токе. Освоены линии электропередачи переменного тока на напряжение 750 кВ (750 тыс. В) и на напряжение 1150 кВ. Построены ЛЭП постоянного тока на напряжение 800 кВ (±400 кВ), ведется работа по созданию ЛЭП постоянного тока на напряжение 1500 кВ (±756кВ).

Перспектива дальнейшего развития передачи электроэнергии по проводам связывается теперь не только с воздушными, но и с кабельными ЛЭП. Под кабельной ЛЭП понимается такой способ передачи электрической энергии, при котором токопроводящие провода вместе с электрической изоляцией заключены в герметическую оболочку. Силовые кабели обычно располагают под землей.

В одной из перспективных кабельных ЛЭП изоляцией служит находящийся под относительно высоким давление газ, обладающий низкой электропроводностью и высокой электрической прочностью. Таким газом, уже нашедшим применение в технике, является, в частности, шестифтористая сера SF⁶, именуемая среди электротехников элегазом. Шестифтористая сера принадлежит к числу так называемых электроотрицательных газов, отличительным свойством молекул которых является способность присоединять к себе электроны и благодаря этому превращаться в отрицательные ионы. Это приводит к уменьшению концентрации свободных электронов в газе и вследствие этого снижению его проводимости. В настоящее время трудно сделать заключение о возможных масштабах применения элегаза, но это направление в развитии ЛЭП представляет интерес.

Другое интересное направление развития ЛЭП заключается в создании так называемых криогенных и сверхпроводящих линий электропередачи. Идея криогенных ЛЭП основывается на том известном факте, что электрическое сопротивление металлов (особенно чистых) падает со снижением их температуры. Например, если чистый алюминий (99,99 А1) охладить до температуры 20 К (-253°С, температура жидкого водорода), то его электрическое сопротивление уменьшится примерно в 500 раз.

Сверхпроводимость - отправной пункт создания сверхпроводящих ЛЭП. Это явление, с практическим использованием которого связываются сегодня многие направления технического прогресса, состоит в том, что при достижении определенных низких температур некоторые чистые металлы и сплавы становятся сверхпроводящими, т. е. их электрическое сопротивление делается равным нулю. Температура, при которой это происходит, именуется критической.

Наука не ставит каких-либо запретов, по крайней мере на уровне современных знаний, на возможность существования таких сверхпроводящих материалов. Представьте себе, каким огромным достижением было бы открытие сверхпроводящего вещества, критическая температура для которого была бы близка к комнатной!

Преимущества сверхпроводящей ЛЭП очевидны: отсутствие потерь электроэнергии и большая экономия металла, из которого делаются провода.

Но прежде чем сверхпроводящие ЛЭП завоюют права гражданства, предстоит решить непростые задачи. Пока что стоимость сверхпроводящего материала высока. Можно надеяться, правда, что она существенно снизится при увеличении его производства. Требуются значительные расходы энергии для поддержания необходимой низкой температуры сверхпроводника. Для этого нужно иметь криогенное оборудование, стоимость которого тоже значительна.

Возвращаясь к криогенным линиям электропередачи, можно сказать, что их возможная конструкция, а также их достоинства и недостатки по сравнению с воздушными ЛЭП в принципе такие же, как и для сверхпроводящих линий.

Прежде чем закончить раздел о проблемах транспорта энергии и перейти к вопросу об аккумулировании энергии, хотелось бы совсем кратко коснуться еще одного, может быть перспективного, способа передачи энергии. Мы говорим «может быть перспективного» потому, что идеи, составляющие существо дела, настолько новы и необычны, что очень трудно оценить возможность их реализации в будущем.

Речь идет о создании мощных атомных или солнечных электростанций, вынесенных с целью охраны окружающей среды на Земле в околоземное космическое пространство. В этом случае электрическую энергию, производимую на этих электростанциях, имеется в виду передавать на Землю с помощью электромагнитного излучения в сверхвысокочастотном диапазоне. Излучение такого рода может передаваться узким направленным пучком, так как оно, подобно световому лучу, поддается фокусировке.

Мы заметим только, что это предложение не содержит чего-либо противоречащего современным научно-техническим представлениям и возможностям.