Введение

История энергетики, путь развития последней вплоть до современного и будущего состояний чрезвычайно интересны и важны для понимания ее значения в развитии цивилизации.

Французский философ Огюст Кон писал, что «нельзя по-настоящему овладеть какойлибо научной дисциплиной, не зная истории ее развития».

Начиная с древнейших времен энергия была важнейшим фактором, определяющим жизнь человека и развитие цивилизации. История энергетики от веков, когда человек овладел огнем, энергией рек, ветра, и до настоящего времени отражает постоянный поиск, великие открытия, накопление и передачу от поколения к поколению знаний, важнейшие достижения в области познания законов природы.

В издании «Энергетика: история, настоящее и будущее» в книге «От огня и воды к электричеству», который является вводным, дается представление об эволюции Земли, развернутая картина истории освоения и использования человеком энергии с древних времен до эпохи электроэнергетики. Рассказывается история открытий и использования основных видов ископаемых энергетических ресурсов, в том числе и в Украине, приведены данные о запасах и свойствах топлив. Приведен обширный фактический материал, важный для энергетиков и специалистов смежных областей. Эта книга подводит читателя к восприятию материала остальных томов, посвященных развитию, состоянию и перспективам электроэнергетики во всех её аспектах.

Приведем основные термины, связанные с энергетикой и используемые в этой книге.

Энергия – общая количественная мера раз

личных форм движения материи. Различают энергию механическую, тепловую, солнечную, электрическую, гидравлическую, ядерную (атомную), химическую и др. Поскольку часть энергии всегда может быть превращена в работу, энергию можно рассматривать как способность совершать работу.

Энергетика – топливно-энергетический комплекс, отрасль народного хозяйства, охва

тывающая энергетические ресурсы, выработку, преобразование, передачу и использование различных видов энергии.

Энергетические ресурсы – природные ис

точники энергии, которые можно превращать в энергию различных видов. В том числе:

Возобновляемые ресурсы – такие, запасы которых постоянно воспроизводятся (гидроэнергоресурсы, энергия Солнца, ветра, приливов, геотермальная и др).

Невозобновляемые ресурсы – такие, запасы которых не имеют источников пополнения и уменьшаются с их потреблением (уголь, нефть, природный газ, горючие сланцы и др.).

Энергетика разделяется по видам энергии на электроэнергетику, теплоэнергетику, гидроэнергетику, ветроэнергетику, атомную энергетику и т.д.

Электроэнергетика – ведущая отрасль энергетики, обеспечивающая электрификацию народного хозяйства.

Теплоэнергетика – отрасль энергетики, за

нимающаяся преобразованием теплоты в другие виды энергии, главным образом в электрическую и механическую.

Гидроэнергетика – отрасль энергетики, занимающаяся преобразованием гидравлической энергии, главным образом в электрическую.

Ветроэнергетика – отрасль энергетики, связанная с разработкой методов и средств для преобразования энергии ветра в механическую и электрическую энергию.

Окружающая среда – совокупность при

родных, техногенных и социальных условий существования человеческого общества.

Все развитие цивилизации, ее технические достижения связаны с комплексным использованием огня – от древней металлургии и производства керамики, от паровых машин до электро-, теплои атомной энергетики с применением высоких и сверхвысоких температур.

Огонь как источник тепла ослабил зависимость человека от внешней среды, сделал его намного сильнее, позволил экономить силы и развивать разум. Огонь был божеством и реальностью, заставлявшей задумываться об его природе.

Древнегреческий философ Гераклит (конец VI – начало V вв. до н.э.) называет огонь основой мира и смело заявляет, что «это космос, один и тот же для всего существующего, его не создал никакой бог и никакой человек, но всегда он был, есть и будет вечно живым огнем, мерами загорающимся и мерами потухающим».

Человек получил постоянный доступ к огромному морю энергии. Однако овладение энергией, как и развитие цивилизации, протекало медленно и с большим трудом, борьба за энергию продолжается и будет продолжаться всегда, пока существует человек.

Солнце – источник подавляющего большинства видов энергии, используемых человеком: гидравлической и энергии ветра, энергии, накопившейся в ископаемых природных ресурсах, в древесине, биомассе и др. Солнце с древнейших времен почиталось человеком как божество, дающее жизнь и силу всему сущему.

В результате научных достижений ХХ в. сформировались представления о строении Земли и глобальных процессах, происходящих в ее недрах и в космосе.

Многие сотни миллионов лет на Земле происходят процессы энергетического обмена, преобразования и накопления различных форм энергии. Ископаемые природные ресурсы, таящие законсервированные запасы энергии в виде залежей угля, торфа, нефти и др., – результат жизнедеятельности организмов, так же как почва – результат их взаимодействия с горными породами. Вся биосфера, жизнь существует благодаря солнечной энергии, которая имеет первостепенное значение в биохимических процессах, происходящих на земной поверхности.

Солнце, ветер и вода, за счет энергии которых происходят экзогенные процессы, меняющие облик Земли, являются возобновляемыми энергетическими ресурсами, которые человеком использовались с древних времен, используются сейчас и будут, несомненно, все более широко использоваться в будущем.

Овладев огнем и продолжая поиск новых источников энергии в окружающем мире, человек обратился к энергии текущей воды и ветра.

Под действием солнечной энергии в природе непрерывно идет круговорот воды. Ис

паряясь с поверхности, водяные пары переносятся воздушными течениями, затем конденсируются и выпадают в виде осадков, образуя реки. Под действием неравномерного солнечного излучения на земную поверхность в приземных слоях атмосферы возникают разность температур и градиенты атмосферного давления, что вызывает движение воздуха – ветер.

Во все времена вода была важнейшим фактором, определяющим жизнь людей. Водохранилища для орошения, водоснабжения строились в Египте, Месопотамии, Индии, Китае и других странах за 4000–3500 лет до н.э.

Для подъема воды в оросительные каналы применялись водяные колеса (первые простейшие гидравлические двигатели), преобразовывающие энергию воды в механическую энергию. Уже в Древней Греции и Риме водяные колеса применялись в водяных мельницах, для водоснабжения и др.

В Европе водяные мельницы получили распространение уже в III–IV вв. Совершенствовалась конструкция водяных колес и передаточных механизмов, которые позволяли использовать энергию воды для производства разных работ: вращения станков, подъема руды из шахт, откачки воды и др.

Как и водяные колеса, ветряные колеса, использующие энергию ветра, применялись за тысячи лет до н.э. В Персии, Египте, Китае их использовали для подъема воды и помола зерна.

В ХII в. ветряные мельницы также начали распространяться и в Европе. Хотя ветряные мельницы проще водяных, основным их недостатком был непостоянный режим работы, зависящий от скорости ветра.

В ХIV в. ветряные мельницы широко стали применяться в Голландии, где превратились в основной источник энергии, сыграли важнейшую роль в осушении территорий, лежащих ниже уровня моря. В дальнейшем они также использовались в качестве привода различных производств. Именно развитие ветроэнергетики стало важным фактором в развитии экономики этой страны.

В средние века основным энергетическим источником была энергия воды. В ХVII–XIX в. в эпоху перехода от ремесленного к промышленному производству быстро растущие потребности в механической энергии обеспечиваются в основном за счет водяных

колес. В промышленных районах Западной Европы, России, США строится большое количество водохранилищ, водяные колеса становятся все более мощными и совершенными, применяются во всех видах производства на заводах, рудниках.

В ХVIII–ХIХ вв. во многих странах, особенно в странах Европы, России и США, получили распространение также ветряные мельницы.

Изобретение парового двигателя в конце ХVIII в. снизило использование водяных колес в производстве. Промышленные предприятия с паровыми машинами могли размещаться в любом месте, а не только у реки. Человек получил неограниченный источник энергии, превращая в механическую энергию теплоту, запасенную в древесине, угле, торфе.

Долгим и сложным был путь от простейшего водяного колеса к гидравлической турбине, которая имеет значительные преимущества, включая компактность, быстроходность, высокий КПД и большую мощность.

Важнейшую роль в совершенствовании водяных двигателей, создании гидравлических турбин сыграли научные исследования в области гидравлики и теории гидравлических двигателей многих поколений ученых: древнегреческого мыслителя Аристотеля (384–322 до н.э.), одного из виднейших представителей эпохи Возрождения Леонардо да Винчи (1452–1519), членов Петербургской академии наук швейцарских ученых Д. Бернулли (1700–1782) и Л. Эйлера (1707–1783) и многих других.

Начиная с первой гидравлической турбины, построенной в 1750 г. венгерским ученым Я. Сегнером, создаются и применяются на практике различные типы турбин: в 1827 г. французским инженером Б. Фурнероном – радиальная центробежная реактивная, в 1837–1841 гг. французским инженером Жонвалем и немецким Хентелем – осевая реактивная, в 1849 г. американским инженером Д.Френсисом – радиально-осевая реактивная, в 1880 г. – ковшовая активная Пельтона, в 1912 г. – поворотно-лопастная реактивная В. Каплана и др.

Важнейшее значение в решении проблем ветроэнергетики и совершенствования ветродвигателей имели научные исследования великого русского ученого М.В. Ломоносова (1711–1765), работы Н.Е. Жуковского

(1847–1921), С.А. Чаплыгина (1869–1942),

Л. Прандля (1875–1953), Теодора фон Кармана (1881–1963), Ю.В. Кондратюка (1897– 1942) и многих других ученых.

В результате к последней четверти XIX в. были обеспечены необходимые условия для развития электроэнергетики: созданы эффективные паровые и гидравлические турбины; разработаны электрические генераторы переменного тока; осуществлена на практике передача электроэнергии на значительное расстояние.

Начиная с первой в мире промышленной ГЭС мощностью 220 кВт, построенной в 1891 г. в Германии в Лауфене под руководством русского инженера М.О. Доливо-Добровольского, в ХХ в. началось широкое использование гидроэнергетических ресурсов и к началу XXI в. мощность всех ГЭС в мире достигла 670 млн. кВт. Постепенно увеличивалось использование энергии ветра и к началу XXI в. мощность ветроэнергетических установок в мире составила свыше 18 млн. кВт.

Однако большая часть электроэнергии и поныне вырабатывается тепловыми электростанциями, для которых топливом являются ископаемые энергетические ресурсы. Главный их недостаток состоит в том, что они не возобновляются в природе, а их широкомасштабное использование приводит к загрязнению окружающей среды, существенно влияя на установившийся баланс биосферы.

Поэтому крайне важно знать природу, свойства, состав, условия залегания, возможность использования, выявленные запасы и расходы наиболее распространенных ископаемых природных ресурсов: угля, нефти, природного газа, горючих сланцев, торфа.

Каменный уголь, нефть и газ известны человеку с древних времен. Уголь стал широко использоваться в эпоху промышленной революции. Резко возросло его потребление в XX в., составив к началу XXI в. около 4,7 млрд. т. Мировые разведанные промышленные запасы угля по состоянию на 2000 год, по имеющимся оценкам, составляют 983 млрд. т. По состоянию на начало 2003 года мировые разведанные запасы нефти оцениваются в 165 млрд. т, а мировые разведанные запасы природного газа оцениваются в 155 трлн. м 3. Добыча нефти в мире в 2002 г. составила 3,5 млрд. т, а газа – 2,5 трлн. м 3.

XX в. можно назвать веком нефти и природного газа по их значению для топливноэнергетического комплекса и в целом для экономики большинства стран. И в XXI в. они будут играть важнейшую роль в развитии мировой экономики. При этом энергетическое направление использования нефти и газа остается главенствующим.

В книге рассмотрено развитие энергетики до наступления эры электроэнергетики на рубеже XX в.

Технологическое развитие нашей цивилизации в XX в., которое носило быстрый, почти взрывной характер, потребовало резкого наращивания производства энергии и использования невозобновляемых ископаемых ресурсов. С начала XX в. за сто лет потребление топливно-энергетических ресурсов возросло в 30 раз.

К началу XXI в. из общего производства первичной энергии в мире, составляющего 8 млрд.т нефтяного эквивалента (т н.э.), 85% базировалось на ископаемых ресурсах (угле, нефти, природном газе и др.).

Электроэнергетика, являясь основным движущим фактором развития экономики и повышения качества жизни людей, характеризуется наиболее высокими темпами роста, причем в течение XX в. доля электроэнергии в структуре использования энергии постоянно увеличивалась и достигла 40% в развитых странах.

Так, производство электроэнергии в мире с 1950 по 2000 г. увеличилось (в основном за счет сжигания органического топлива) в 14 раз, достигнув 14100 млрд. кВт·ч, в том числе за счет использования возобновляемых гидроэнергетических ресурсов – 2650 млрд. кВт·ч (19% всего производства электроэнергии).

Человек стал настолько «могущественным», что его воздействие на окружающую природную среду может вызвать катастрофические последствия. Такое развитие цивилизации, когда взаимоотношения человека и природной среды складывались, исходя из эгоцентрического тезиса о том, что человек вправе изменять природную среду так, как ему представляется удобным, привело к расточительному использованию ископаемых ресурсов, к загрязнению окружающей среды и нарушению ее равновесия, представляющих угрозу самому существованию человечества.

На протяжении тысячелетий люди старались жить в гармонии с природой, но именно

в XX в. в связи с резким увеличением антропогенной нагрузки на неё и тяжелыми экологическими последствиями наиболее остро встали вопросы охраны окружающей среды, нахождения равновесия между экономическими и социальными потребностями общества и использованием окружающей среды. Пришло осознание того, что условия жизни человека и состояние окружающей среды – звенья одной цепи.

Миллиарды лет создавался тонкий и сложный баланс биосферы Земли, и сегодня человечество, являющееся частью биосферы, разрушает его, загрязняя атмосферу, гидросферу, почву, что во многом связано с получением энергии.

Известный ученый-химик И.В. ПетряновСоколов писал: «Мы будем стремиться к то3 му, чтобы обе части нашего мира – его биосфера, существовавшая изначально, и техносфера, созданная человеком, – смогли ужиться, дополняя друг друга. Их необходимо совместить, и сосуществование должно быть обязательно, потому что в случае ка3 тастрофы потери обеих сторон оказались бы столь устрашающими, что неизвестно, удалось ли бы чему3нибудь уцелеть». Необходимо признать, что энергетика – экономика – природная среда – человек взаимосвязаны и неразделимы.

Для человечества наступил «момент истины», когда необходимо сделать выбор, изменить стратегию своего поведения, обеспечив разумное управление развитием, произвести переоценку существующей системы ценностей, глубокую экономическую, социальную и духовную перестройку жизни общества. Нельзя больше использовать энергию и управлять энергоресурсами так расточительно и негуманно.

В XXI в. совершенствование технологий производства энергии должно основываться на экологических критериях, максимальном использовании возобновляемых источников энергии. Следует также ожидать появления и широкого применения новых технологий, не связанных со сжиганием органического топлива. Необходима скоординированная политика мирового сообщества в области энергетики и охраны окружающей среды.

Для преодоления кризиса крайне важно понимание населением Земли грозящей опасности, что требует от каждого человека осознания своей ответственности перед обществом.