Даже когда наступает эра Fusion, мы все еще живем в эпоху Steam

Переиздано Платоном

Читают: 0

По железнодорожным путям с грохотом стучат паровозы. Колёсные пароходы плывут по Мюррею. Линкоры-дредноуты с паровыми двигателями.

Многие из нас думают, что эпоха пара закончилась. Но хотя паровой двигатель был заменен двигателями внутреннего сгорания, а теперь и электродвигателями, современный мир по-прежнему полагается на пар. Почти все тепловые электростанции, от угольных до атомных, для работы должны иметь пар. (Газовые заводы обычно этого не делают).

Но почему? Это из-за того, что мы обнаружили тысячелетия назад. В первом веке нашей эры древние греки изобрели эолипил — паровую турбину. Тепло превратило воду в пар, а пар обладает очень полезным свойством: это легко производимый газ, который можно толкать.

Этот простой факт означает, что даже несмотря на то, что мечта о термоядерной энергии подползает ближе, мы все еще будем в эпоху Steam. Первая коммерческая термоядерная установка будет опираться на передовые технологии способен содержать плазму, гораздо более горячую, чем ядро Солнца, но он по-прежнему будет соединен со скромной паровой турбиной, преобразующей тепло в электричество.

внутри термоядерного тора — Даже высокотехнологичные термоядерные установки будут использовать пар для производства электроэнергии. Кредит изображения: EUROfusion/Викисклад, CC BY

Почему мы все еще зависим от Steam?

Кипячение воды требует значительного количества энергии, самого высокого из всех известных нам жидкостей. Для испарения воды требуется примерно в 2.5 раза больше энергии, чем для испарения этанола, и на 60 процентов больше, чем для испарения жидкого аммиака.

Почему мы используем пар, а не другие газы? Вода дешева, нетоксична и легко превращается из жидкости в энергетический газ, а затем снова конденсируется в жидкость для использования снова и снова.

Пар существует так долго, потому что у нас есть много воды, покрывающей 71 процент поверхности Земли, а вода является полезным способом преобразования тепловой энергии (тепла) в механическую энергию (движение) и электрическую энергию (электричество). Мы ищем электричество, потому что его можно легко передать и использовать для выполнения нашей работы во многих областях.

Когда вода превращается в пар внутри закрытого контейнера, она сильно расширяется и увеличивает давление. Пар высокого давления может хранить огромное количество тепла, как и любой газ. Если имеется выходное отверстие, пар будет проходить через него с высокой скоростью потока. Поместите турбину на выходной путь, и сила выходящего пара будет вращать лопасти турбины. Электромагниты преобразуют это механическое движение в электричество. Пар конденсируется обратно в воду, и процесс начинается снова.

В паровых двигателях уголь использовался для нагрева воды и получения пара, приводящего в движение двигатель. Ядерное деление расщепляет атомы, чтобы получить тепло для кипячения воды. Ядерный синтез заставит тяжелые изотопы водорода (дейтерий и тритий) сливаться в атомы гелия-3 и создавать еще больше тепла — кипятить воду для получения пара, приводить в движение турбины для производства электричества.

Если бы вы посмотрели только на конечный процесс на большинстве тепловых электростанций — угольных, дизельных, ядерного деления или даже ядерного синтеза — вы бы увидели, что старая технология пара используется настолько далеко, насколько это возможно.

Паровые турбины, приводящие в движение большие электрические генераторы переменного тока, которые производят 60 процентов электроэнергии в мире, — это просто красота. Сотни лет металлургических технологий, проектирования и сложного производства практически усовершенствовали паровую турбину.

Будем ли мы продолжать использовать Steam? Новые технологии производят электроэнергию вообще без использования пара. Солнечные панели полагаться на то, что поступающие фотоны поражают электроны в кремнии и создают заряд, в то время как ветровых турбин работают как паровые турбины, за исключением того, что турбину обдувает ветер, а не пар. В некоторых формах хранения энергии, таких как насосные гидроэлектростанции, используются турбины, но для жидкой воды, а не пара, тогда как в батареях пар вообще не используется.

Эти технологии быстро становятся важными источниками энергии и ее хранения. Но пар не уходит. 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 нам нужно так много шагов. Почему мы не можем преобразовать тепло напрямую в электричество?

Возможно. Термоэлектрические устройства уже используются на спутниках и космических зондах.

Эти устройства, изготовленные из специальных сплавов, таких как свинец-теллур, основаны на температурном зазоре между горячими и холодными спаями между этими материалами. Чем больше разница температур, тем большее напряжение они могут генерировать.

Причина, по которой эти устройства не повсюду, заключается в том, что они производят только постоянный ток (DC) при низком напряжении и имеют эффективность преобразования тепла в электричество на 16–22 процента. Напротив, современные тепловые электростанции имеют КПД до 46 процентов.

Если бы мы хотели управлять обществом на этих двигателях с тепловым преобразованием, нам понадобились бы большие массивы этих устройств, чтобы производить достаточно высокий постоянный ток, а затем использовать инверторы и трансформаторы для преобразования его в переменный ток, к которому мы привыкли. Таким образом, хотя вы можете отказаться от пара, в конечном итоге вам придется добавлять новые преобразования, чтобы сделать электричество полезным.

Есть и другие способы превратить тепло в электричество. Высокотемпературные твердооксидные топливные элементы находятся в стадии разработки. на протяжении десятилетий. Они нагреваются до температуры 500–1,000 градусов по Цельсию и могут сжигать водород или метанол (без настоящего пламени) для производства электричества постоянного тока.

Эти топливные элементы имеют КПД до 60 процентов, а потенциально даже выше. Хотя эти топливные элементы многообещающие, они еще не готовы к использованию в прайм-тайм. У них дорогие катализаторы и короткий срок службы из-за сильной жары. Но прогресс есть Быть сделанным.

Пока подобные технологии не разовьются, мы будем использовать пар как способ преобразования тепла в электричество. Это не так уж и плохо — пар работает.

Когда вы видите, как мимо проезжает паровоз, вы можете подумать, что это причудливая технология прошлого. Но наша цивилизация по-прежнему во многом зависит от пара. Если сила синтеза прибудет, пар также поможет обеспечить будущее. Эпоха Steam так и не закончилась.

Эта статья переиздана из Беседа под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.

Изображение Фото: Siemens Pressebild через Wikimedia Commons