Раздел 2. Гидроэнергетические ресурсы, их использование. Принципиальные схемы, параметры, режимы работы ГЭС и ГАЭС

З часу свого зародження, яке справедливо пов'язують з виходом книги С. Карно «Роздуми про рушійну силу вогню...» (1824 р.), термодинаміка пройшла тривалий і складний шлях розвитку. Її прикладання у самих різних галузях – від енергетики і хімічної технології до біології і космології – перетворилися з часом на самостійні наукові напрями, деякі з яких піднеслися до рангу наук, але зберегли в своїй назві слово «термодинаміка». Тільки термодинаміка може точно і однозначно відповісти на три принципово важливих питання.

Перше з них виникає «на підході» до завдання: «чи може в принципі існувати та або інша система (або процес)?» Друге: «наскільки досконала ця (існуюча або проектована) система (або процес)?» Нарешті, третє: «чи є резерви для поліпшення системи в заданих конкретних умовах і де ці резерви шукати?» Очевидно, проте, що без зв'язку з науками, що вивчають реальні системи і, неминуче, необоротні процеси в них, вся сила класичної термодинаміки була б даремною. Природний результат розуміння цього положення проявився в тому, що виникли «прикордонні» науки, які забезпечують зв'язок і спільне практичне використання фундаментальних наук, таких як фізика, хімія, біологія, і комплексу технічних наук з класичною термодинамікою.

Подальший розвиток класичної термодинаміки йде зараз в двох основних напрямах.

Перший – теоретичний – напрям, основні положення якого вже визначилися, характеризується виходом термодинаміки за межі аналізованої системи. Він неминуче пов'язаний із включенням до розгляду оточення системи, що складається з рівноважного навколишнього середовища та джерел енергії і речовини, які знаходяться в нерівноважному, але загальмованому стані.

Другий – прикладний – напрям розвивається у зв'язку з прикладаннями нового розширеного термодинамічного апарату і розвитком деяких практично важливих завдань сучасної техніки, біології, а останнім часом й економіки.

У біології та економіці використання законів термодинаміки зустрічає певний опір. Біологи намагаються виявити процеси у живих організмах, які підтвердили б незалежність життєвих процесів від законів термодинаміки, зокрема, від другого закону термодинаміки. Проте незалежно від складності системи процеси в ній неминуче підпорядковані законам термодинаміки.

Але вирішення важких завдань змушує вчених і фахівців шукати нові методи досліджень. Одним з підходів є аналіз власне системи, що розглядається, спільно з оточенням, бо завжди усі процеси у живій природі та техніці протікають в умовах взаємодії з ним.

Розробка і реалізація на практиці цього напряму і складає тепер головний зміст третього – сучасного – етапу розвитку класичної термодинаміки. Максимальне просування тут пов'язане з технічною галуззю, оскільки напрацювань у ній найбільше. Проте в біологічній та економічній галузях, де рівень складності завдань істотно вищий, теж отримано перші, але достатньо обнадійливі результати. Тут використані можливості так званого ексергетичного підходу.

Ексергетичний аналіз дає можливість вирішити принаймні три завдання.

Перше – скласти реєстр всіх природних ресурсів як окремих регіонів, країн, так і зрештою Землі в цілому, звівши до якоїсь однієї одиниці видобуток природних багатств, наприклад металу і пального. Таке завдання було поставлене видатним мислителем, засновником вчення про біосферу В.І. Вернадським (1863–1945) ще у 1928 р. Підготовка відповідних даних і розробка методик для здійснення такої роботи вже ведеться в окремих країнах, а також обговорюється на міжнародних наукових форумах.

Друге і не менш важливе завдання, що вирішується за допомогою ексергетичного методу, – це аналіз і аудит матеріально-енергетичних балансів господарських об'єктів – від окремого підприємства до регіону і країни. Так звані «паливно-енергетичні баланси», вживані для цієї мети, дають, як правило, результати, не адекватні реальній ситуації, оскільки в них не враховуються якісні характеристики матеріальних і енергетичних потоків. Це стосується теплоносіїв і холодоагентів з різними температурними потенціалами, стиснутих і зріджених газів різного складу, а також проміжних і кінцевих продуктів хімічних та металургійних виробництв.

Третє завдання, безпосередньо пов'язане з попереднім, полягає у визначенні ефективності, рівня досконалості різних технічних пристроїв перетворення речовини і енергії. Його вирішення в кожному випадку пов'язане з пошуком шляхів вдосконалення і оцінкою граничних можливостей відповідних систем і процесів у них.

Детальний аналіз стану і перспектив розвитку класичної термодинаміки, прикладання її до завдань техніки, біології і економіки з опорою на ексергетичний підхід до систем, що аналізуються, наведений у статті відомого фахівця з термодинаміки, професора, доктора технічних наук В.М. Бродянського у «Вістях Російської академії наук» (серія «Енергетика», 2001 р., № 5), який закінчує її наступним висновком:

«Підводячи підсумки цього огляду, можна стверджувати, що класична (рівноважна) термодинаміка з часів С. Карно постійно розвивалася, йдучи за потребами суспільства (а іноді й випереджаючи їх). До початку XXI ст. ця наука не вичерпала своїх можливо стей як у розвитку концептуальної бази і методів, так і в розширенні практичних прикладань. У термодинаміки широкі перс пективи розвитку. У порівнянні з іншими фундаментальними науками про природу, які хоч і набагато старші, але продовжують активно розвиватися, термодинаміка ще дуже молода – їй немає ще й 200 років!»