Гремящие паровозы, движущиеся по железнодорожным путям. Колесные пароходы, бороздящие речные воды. Дредноуты, приводимые в движение паровыми двигателями.
Многие из нас думают, что век пара закончился, но на самом деле пар по-прежнему играет важнейшую роль в современном мире. В то время как двигатели внутреннего сгорания и электродвигатели пришли на смену во многих областях, пар по-прежнему остается жизненно важным компонентом.
Подумайте, почти все тепловые электростанции, независимо от того, работают ли они на угле или ядерной энергии, полагаются на пар для эффективной работы. (Газовые станции являются исключением из этого правила).
Поэтому, хотя пар, возможно, не так заметен в нашей повседневной жизни, как раньше, он тихо работает за кулисами, обеспечивая бесперебойную работу..
Но почему? Причина в том, что на самом деле мы открыли эту технологию тысячи лет назад. Еще в первом веке нашей эры древние греки изобрели эолипил – паровую турбину. Тепло превращает воду в пар, а пар обладает очень полезным свойством: это легко получаемый газ, который может создавать давление.
И этот простой факт означает, что, даже приближаясь к мечте об энергии ядерного синтеза, мы все еще будем жить в эпоху пара. Первая коммерческая термоядерная установка будет опираться на передовые технологии, способные удерживать плазму, гораздо более горячую, чем ядро Солнца, но при этом она будет соединена со скромной паровой турбиной, преобразующей тепло в движение и электричество.
Почему мы все еще полагаемся на пар?
Вскипятить воду требует значительного количества энергии, намного больше, чем для других распространенных жидкостей, с которыми мы знакомы. Воде требуется примерно в 2,5 раза больше энергии для испарения, чем этанолу, и на 60% больше, чем жидкому аммиаку.
Почему мы используем пар, а не другие газы? Вода дешева, нетоксична и легко преобразуется из жидкости в энергетический газ, а затем конденсируется обратно в жидкость для многократного использования.
Пар продолжает использоваться так долго, потому что у нас в изобилии имеется вода, покрывающая 71% поверхности Земли. Вода является удобным способом преобразования тепловой энергии (тепла) в механическую энергию (движение) и электрическую энергию (электричество). Мы стремимся получить электричество, потому что его легко передавать, и оно может быть использовано для выполнения работы во многих сферах.
Когда вода превращается в пар внутри закрытого контейнера, она сильно расширяется и увеличивает давление. Пар высокого давления может накапливать огромное количество тепла, как и любой другой газ. Если ему дать выход, пар устремится через него с высокой скоростью потока. Если поместить турбину на пути его выхода, сила вырывающегося пара заставит вращаться лопасти турбины. Электромагниты преобразуют это механическое движение в электричество. Пар конденсируется обратно в воду, и процесс начинается снова.
Паровые машины использовали уголь для нагрева воды и создания пара, приводившего в действие двигатель. Ядерный деление расщепляет атомы, чтобы выделить тепло для кипячения воды. Ядерный синтез заставит тяжелые изотопы водорода (дейтерий и тритий) объединяться в атомы гелия-3 и высвобождать еще больше тепла – для кипячения воды, создания пара, вращения турбин и выработки электричества.
Если рассматривать только конечный процесс на большинстве тепловых электростанций – угольных, дизельных, с ядерным делением или даже с ядерным синтезом – везде мы увидим старую добрую технологию использования пара, доведенную до совершенства.
Паровые турбины, вращающие большие электрические генераторы, которые производят 60% электроэнергии в мире, – это шедевры инженерии. Столетия развития металлургических технологий, проектирования и сложного производства практически довели паровую турбину до совершенства.
Продолжим ли мы и дальше использовать пар? Новые технологии вырабатывают электричество без использования пара. Солнечные панели полагаются на фотоны, попадающие на электроны в кремнии и создающие заряд, а ветряные турбины работают подобно паровым, только их вращает ветер, а не пар. Некоторые формы накопления энергии, такие как гидроаккумулирующие электростанции, используют для турбин жидкую воду, а не пар, а батареи вообще не используют пар.
Эти технологии быстро становятся важными источниками энергии и накопителями. Но пар никуда не денется. Если мы будем использовать тепловые электростанции, мы, вероятно, по-прежнему будем использовать пар.
Почему мы не можем просто преобразовать тепло в электричество?
Вы можете задаться вопросом: почему нужно так много этапов? Разве нельзя напрямую преобразовать тепло в электричество?
Такое возможно. Термоэлектрические устройства уже используются на спутниках и космических зондах.
Изготовленные из специальных сплавов, таких как теллурид свинца, эти устройства полагаются на перепад температур между горячими и холодными соединениями этих материалов. Чем больше разница температур, тем большее напряжение они могут генерировать.
Причина, по которой эти устройства не везде используются, заключается в том, что они производят только постоянный ток низкого напряжения и имеют КПД от 16% до 22% при преобразовании тепла в электричество. В то же время у самых современных тепловых электростанций КПД составляет до 46%.
Если бы мы захотели обеспечить жизнедеятельность общества с помощью термоэлектрических двигателей, нам понадобились бы большие массивы таких устройств для получения достаточно высокого постоянного тока, а затем инверторы и трансформаторы для преобразования его в переменный ток, к которому мы привыкли. Таким образом, если мы захотим обойтись без пара, нам придется вводить новые преобразования, чтобы сделать электричество практичным.
Существуют и другие способы преобразования тепла в электричество. Высокотемпературные твердооксидные топливные элементы разрабатываются уже десятилетиями. Они работают при высоких температурах – от 500 до 1000 градусов Цельсия – и могут сжигать водород или метанол (без реального пламени) для получения постоянного электрического тока.
Такие топливные элементы имеют КПД до 60% и потенциально даже выше. Хотя они и очень перспективны, но пока не готовы к массовому применению. Они содержат дорогостоящие катализаторы и имеют короткий срок службы из-за интенсивного нагрева. Но прогресс не стоит на месте.
До тех пор, пока такие технологии не доведут до ума, нам приходится полагаться на пар как способ преобразования тепла в электричество. Это не так уж и плохо – ведь пар работает.
Глядя на паровоз, вы можете подумать, что это старинная технология прошлого. Но наша цивилизация по-прежнему сильно зависит от пара. Если термоядерная энергия станет реальностью, пар все так же будет помогать обеспечивать энергией будущее. Эпоха пара на самом деле никогда не заканчивалась.
Читайте также: Революционный эксперимент по ядерному синтезу произвел больше энергии, чем было затрачено