Эффективность низкотемпературных преобразователей энергии — резерв снижения энергоемкости ВВП

На каждый 1 кВт•ч потребленной из сети электрической энергии в режиме обогрева такой насос закачивает в помещение до 4,6 кВт•ч теплоты окружающей среды, а в режиме охлаждения — до 3,5 кВт•ч холода. В связи с тем, что значение этого показателя не согласуется со вторым началом термодинамики, его называют «нагревательным» или «тепловым» коэффициентом преобразования. Традиционно считают, что низкотемпературные преобразователи энергии — тепловые насосы и холодильные машины — работают по «обратному циклу Карно», который от прямого цикла Карно отличается только тем, что процессы цикла следуют в обратном порядке (против часовой стрелки) [1]. Однако этой особенностью невозможно объяснить столь высокий КПД низкотемпературных преобразователей энергии. Как выявлено в [2], действительная причина высокого КПД тепловых насосов и холодильных машин в том, что в качестве основного рабочего процесса в них использован самоорганизующийся природный высокоэнергоэффективный процесс — фазовый переход «испарение–конденсация». К сожалению, это научно-техническое направление в изучении высокоэффективных преобразователей энергии долгое время развивалось на основе эмпирических исследований. Теоретического объяснения высокой эффективности низкотемпературных преобразователей энергии до сих пор не было. Вместе с тем, этот факт сам по себе свидетельствует о неполноценности второго начала термодинамики как самостоятельного основного закона природы, считающегося главным законом классической термодинамики и общей энергетики. Признание главенствующей роли второго начала как основного закона названных сфер знаний длительное время способствовало применению энтропийного анализа для оценки эффективности преобразований энергии. С середины XIХ столетия по значению энтропии — показателю неработоспособности энергии — определяли ее потенциальную работоспособность. Только в начале 80-х гг. XX века большинство энергетиков мира перешли к более простому и надежному методу эксергетического анализа. Однако и в настоящее время отдельные ученые еще отстаивают целесообразность применения энтропийного анализа для совершенства оценки различных видов преобразователей энергии. Так, например, в [3] термодинамическое совершенство этих установок, с учетом статистической информации практического опыта их создания и эксплуатации устанавливают по показателю термодинамического КПД — η_терм. Причем этот показатель «для теплосиловых установок определяется как отношение реально полученной работы к теоретически максимально возможной: (формула) а для низкотемпературных — как отношение теоретически минимально необходимой затраты работы (электроэнергии) к действительной: (формула) По своей сущности эти показатели в методе эксергетического анализа соответствуют определению эксергетического КПД [3]. Они позволяют надежно оценивать совершенство конкретной конструкции определенного типа преобразователя, но по ним невозможно судить о «термодинамическом совершенстве». По этим показателям невозможно составить преставления о различии эффективности использования тем или иным типом преобразователя первичного энергоносителя. Это однозначно продемонстрировано содержанием таблиц показателей низкотемпературных и высокотемпературных установок в [3, с. 18]. Согласно им для низкотемпературных установок (холодильные машины, тепловые насосы) значения названных показателей в зависимости от температур рабочего тела на входе находятся в пределах 0,41–0,13; а для высокотемпературных (теплосиловых) соответственно — 0,45–0,2. Из величин этих показателей можно сделать вывод, что высокотемпературные преобразователи энергии имеют более высокую эффективность использования первичных энергоносителей, что не соответствует действительности. Как видим, по значениям рассматриваемых в [3] показателей «термодинамического совершенства» невозможно составить представления о различии эффективности использования первичных энергоносителей двумя принципиально разными типами преобразователей: низкотемпературными установками (холодильные машины, тепловые насосы) и высокотемпературными (теплосиловые установки). Они полезны и необходимы для совершенствования конструкций определенных типов преобразователей, но совершенно непригодны для пользователей (потребителей) этих преобразователей. Для высокотемпературных преобразователей энергии определение этого показателя имеет надежную теоретическую основу в связи с тем, что «теоретически максимально возможная работа» этого преобразователя или его термодинамический КПД однозначно определяются формулой Карно. В случае низкотемпературных преобразователей определение термодинамического и эксергетического КПД принципиально затруднено невозможностью корректного определения «теоретически минимально необходимой затраты работы (электроэнергии)». Это принципиальное затруднение наиболее ярко иллюстрирует рис. 1 [3]. Как видим из рисунка, значение эксергетического КПД, равное 0,4, у высокотемпературных преобразователей достигается при температуре теплоносителя 1200 °К на входе. Для низкотемпературных преобразователей энергии такое же значение этого КПД достигается при температуре менее 200 °К. Это свидетельствует о принципиальном отличии основного рабочего процесса в холодильных машинах и тепловых насосах от высокотемпературных преобразователей, которое невозможно полноценно объяснить и описать термодинамическими зависимостями. Это отличие видно также из существенных различий градиентов температуры и давления этих принципиально различных типов преобразователей энергии. У высокотемпературных типов преобразователей значения температурного градиента превышают 1000 °К, а у низкотемпературных — он составляет 50–70 °К. Очевидно по этой причине ведущий ученый в области термодинамики и эксергетического анализа В.М. Бродянский при определении эксергетического и термодинамического КПД тепловых насосов использовал в качестве исходных экспериментальные данные, а не термодинамические зависимости [4]. Как уже отмечалось, принципиальное отличие низкотемпературных от высокотемпературных преобразователей состоит в том, что в качестве рабочего процесса в холодильных машинах и тепловых насосах применен самоорганизующийся высокоэнергоэффективный фазовый переход энергоносителя — «испарение–конденсация». Это отличие от высокотемпературных, градиентных преобразователей энергии, работающих по циклу Карно, объясняет принципиально более высокую эффективность использования первичных энергоносителей холодильными машинами и тепловыми насосами. Недостаточную полноценность второго начала термодинамики, как самодостаточного общего закона природы, убедительно подтверждают и обусловленные им проблемы, которые были выявлены во второй половине ХІХ столетия и решены лишь в последние десятилетия [2, 5]. Об этом свидетельствует также следующий парадокс современной фундаментальной физики. В энергетике и классической термодинамике второе ее начало считают главным законом физики; в квантовой физике и теории относительности главным законом физики считают (в т.ч. и их основатели М. Планк, А. Эйнштейн, А. Пуанкаре и др.) принцип наименьшего действия в форме Гамильтона. Исторический анализ развития с ХVII столетия физики и других отраслей знаний позволил разрешить эти проблемы на основе принципа энергетической экстремальности самоорганизации (ПЭЭС), рис. 2. Этот принцип логически концептуально объединяет в виде зеркальной динамической симметрии второе начало термодинамики и противоположный ему по сущности закон выживания. Приложение второго начала ограничено только несамоорганизующимися (равновесными) системами. Самоорганизующиеся (неравновесные) системы подчиняются закону выживания. На рис. 2 показана схема логической связи: ❏ принципа энергетической экстремальности самоорганизации; ❏ второго начала термодинамики; ❏ закона выживания; ❏ феноменальных физико-химических принципов; ❏ теорем физики с аксиомой «жизнь–смерть» и прогрессивной направленностью эволюции. В работах выдающегося физика теоретика Ю.Л. Климонтовича теоретически и экспериментально доказано [6, 7], что в системах с самоорганизующимися процессами (в частности, с фазовыми переходами) энтропия не возрастает, а уменьшается. Это природное явление, не согласующееся со вторым началом термодинамики, надежно обосновано также исследованиями по неравновесной термодинамике, самоорганизации, синергетике и опубликовано в трудах И. Пригожина [8], А.П. Руденко [9], Г. Хакена [10], М. Эйгена [11]. Другим, достаточно обоснованным примеромиспользования теплоты окружающей среды является теоретически доказанная еще в ХІХ столетии геофизиком, проф. МГУ Б.Б. Голицыным возможность непосредственного преобразования теплоты в электрическую энергию на основе самоорганизующихся взаимодействий электрических и магнитных полей с электрическими и магнитными диполями среды [12]. Реальность этой возможности показана в [13]. Из-за невозможности объяснить принцип работы высокоэффективных, основанных на использовании самоорганизующихся природных процессов, преобразователей вторым началом термодинамики их пренебрежительно называют «вечными двигателями». Тем самым игнорируется развитие перспективного направления энергетики. По этой причине в РФ сдерживается производство и применение тепловых насосов, что является одной из причин высокой энергоемкости отечественной ВВП. В западноевропейских и других зарубежных странах тепловые насосы используют для обогрева 20–25 % площадей производственных и бытовых помещений. А к 2020 г., по планам МИРЭК, эти цифры предусмотрено довести до 70–75 %. Правительство Германии за каждый киловатт установленной мощности тепловых насосов в виде стимула выплачивает 400 евро. К низкотемпературным преобразователям энергии формально можно отнести (не по используемому рабочему процессу!) также отопительные устройства с котельными и теплогенераторами без выработки электроэнергии, которые, к сожалению, еще широко распространены в нашей стране. Температура теплоносителя на входе в такие устройства обогрева, как правило (исходя из техники безопасности), подается не выше 100 °С, а на выходе она составляет 20–40 °С. Температурный градиент этих преобразователей энергии — 60–80 °С, но они работают, как и высокотемпературные преобразователи, по циклу Карно. В соответствии с формулой Карно термодинамический КПД таких преобразователей находится в пределах 16–17 % теплотворной способности используемого теплоносителя. Практический их КПД существенно ниже из-за тепловых потерь, которые в среднем оцениваются 20–26 % [14, с. 17]. Подобные низкотемпературные преобразователи относят к «малой энергетике». Наибольшее распространение они имеют в сельскохозяйственном производстве, малых и средних городах. Надежные статистические данные по ним отсутствуют. Однако даже в больших городах с крупными ТЭЦ такие низкоэффективные системы используют как для обогрева бытовых, так и производственных помещений. Например, в тепличном комбинате «Московский» с производственной площадью теплиц 110 га обогрев этих площадей осуществляется от котельных, не вырабатывающих электроэнергии. Даже во вновь строящихся теплицах до настоящего времени предусматривают такие очень низкоэффективные системы обогрева. Это объясняют отсутствием законодательства в нашей стране по малой энергетике, к которой относят установки с генераторами меньше 20 МВт. Статистических данных по объемам потребления энергоносителей в РФ, используемых в котельных и теплогенераторах для обогрева (без производства электроэнергии), найти не удалось. Эти объемы ориентировочно можно определить по среднемировым данным [15, с. 51], согласно которым «…25 % общего потребления энергоресурсов используется на производство электроэнергии, а остальные 75 % расходуется на получение промышленного и бытового тепла, транспорт и на химические процессы в металлургии и химических производствах». Исходя из этих данных и принимая во внимание более суровый климат РФ, можно принять, по укрупненным предварительным подсчетам в целом, что по РФ в таких низкоэффективных системах обогрева на получение промышленного и бытового тепла затрачивается около 45–50 % от всех энергоносителей, потребляемых в нашей стране. Очевидно по этой причине, энергоемкость отечественной продукции растениеводства в 2,5–3 раза, а животноводства — в три-пять раз превышает этот показатель в передовых зарубежных странах. Себестоимость не только сельскохозяйственной продукции, но и многих видов промышленной продукции прямо пропорциональна ее энергоемкости. Чем более энергоемка продукция, тем она менее конкурентоспособна. Современный уровень энергоемкости сельскохозяйственной продукции приводит к разрушению этой отрасли отечественного производства. Например, в публикации Министра сельского хозяйства РФ {16, с. 3] сообщается: «по данным таможенной статистики в 2006 г. объем импорта продовольственных товаров и сельскохозяйственного сырья для их производства… вырос на 24 %». Это свидетельствует о росте невостребованности отечественного сельскохозяйственного производства. Столь неблагоприятно высокое значение энергоемкости имеет место и в отношении всей валовой продукции (ВВП) отечественного производства. Эта важная проблема отечественной энергетики выявлена в недавней публикации ученых РАН [17], посвященной проблемам и перспективам энергетики РФ. Одной из важных проблем здесь отмечена низкая эффективность использования первичных энергоносителей (в 1,5–2 раза ниже, чем в зарубежных странах). По данным директора Института энергетической стратегии В.В. Бушуева [18], энергоемкость внутренней валовой продукции (ВВП) РФ примерно в три раза выше, чем среднемировое значение этого показателя и в 5,5 раз выше по сравнению с западноевропейскими странами (рис. 3). Такое ущербное состояние РФ по энергоемкости ВВП, если не улучшить его, обрекает Россию на сырьевой придаток мирового сообщества. Решение этой проблемы, как рассмотрено выше, связано, прежде всего, с выявлением метода анализа и показателей, позволяющих надежно оценивать эффективность существующих преобразователей энергии по использованиюпервичных энергоносителей. Уместно вспомнить оправданность предупреждения начинателя классической термодинамики — С. Карно, который отмечал, что использование энергоносителя для обогрева «…не взяв от него работы, является преступлением». Подобное замечание, очевидно, неслучайно, повторил Д.И. Менделеев. Пренебрежение этими предупреждениями в российской энергетике невозможно объяснить. Замена физически и морально устаревших систем обогрева котельными и теплогенераторами, не вырабатывающими электрической энергии, на мини-ТЭЦ и применение тепловых насосов позволит принципиально снизить энергоемкость ВВП РФ, приблизить значение этого показателя к среднемировому уровню. Это обеспечит существенное уменьшение затрат первичных энергоносителей на обогрев и кондиционирование бытовых, производственных помещений, а также на технологические процессы обогрева и охлаждения. Кроме того, расположение мини-ТЭЦ вблизи обогреваемых объектов и сокращение тепловых трасс также позволяет существенно снизить потери и уменьшить энергоемкость продукции, которые составляют 26 % в теплоснабжении, а в электрических сетях 220 В и ниже — доходят до 20–25 % [14]. Вывод. Применение низкотемпературных преобразователей энергии с высокой эффективностью использования первичных энергоносителей на основе использования теплоты окружающей среды и мини-ТЭЦ позволяет решить проблему снижения энергоемкости ВВП РФ, приблизить этот показатель к среднемировому значению и сделать отечественную продукцию конкурентоспособной на международном рынке.

1. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. — М.: Наука, 1977. 2. Свентицкий И.И. Энергосбережение в АПК и энергетическая экстремальность самоорганизации. M.: ГНУ, ВИЭСХ. 2007. 3. Архаров А.М., Сычев В.В. Основы энтропийностатистического анализа реальных энергетических потерь в низкотемпературных и высокотемпературных машинах и установках // Холодильная техника, №12/2005. 4. Бродянский В.М., Фратшер В., Михалек К. Эксергетический метод и его приложения. М.: Энергоатомиздат, 1988. 5. Свентицкий И.И. Проблемы термодинамики и нетрадиционная энергетика // Топливно-энергетический комплекс. №3/2004. 6. Климонтович Ю.Л. Уменьшение энтропии в процессе самоорганизации. S-теорема (на примере перехода через порог генерации). Письма в ЖТФ, Т. 9, 1984. 7. Климантович Ю.Л. Статистическая теория открытых систем. Т. 1, М.: «Янус», 1995. 8. Пригожин И. От существующего к возникающему: время и сложность в физических науках. Изд. 2-е, дополн., М.: УРСС, 2002. 9. Руденко А.П. Самоорганизация и синергетика // Синергетика, Т. 3, М.: МГУ, 2000. 10. Хакен Г. Синергетика. М.: Мир, 1980. 11. Эйген М. Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул. М.: Мир, 1973. 12. Голицын Б.Б. Ученые записки Московского университета, №10, Т. 1, М., 1893. 13. Заев Н.Е., Спиридонов Ю.С. Емкость — конвертор тепла среды в электроэнергию // Электротехника. №12/1998. 14. Некрасов А.С., Воронина С.А., Борисова И.Н., Кретинина Ю.С. Стоимостная оценка энергетического баланса России. М.: РАН, Институт народнохозяйственного прогнозирования, 2005. 15. Гуртовцев А.Л. Из истории мировой энергетики: легенды и были // Электро. №4/2006. 16. Гордеев А.В. Основные результаты реализации приоритетного национального проекта «Развитие АПК» — основа формирования среднесрочной государственной программы, развития сельского хозяйства и создания условий для улучшения качества жизни на селе // Техника и оборудование для села. №4/2007. 17. Энергетика России — проблемы и перспективы. М.: Наука, 2006. 18. Бушуев В.В. Энергетический потенциал и устойчивое развитие. М.: ИАЦ «Энергия», 2006.