Чистая энергия

Глобальная цивилизация как всемирная культура может быть создана на базе концепции устойчивого развития производительных сил цивилизации и предусматривает производство необходимого количества энергии общественного и индивидуального потребления при сохранении мирового экологического баланса. Суть концепции устойчивого развития – в эпиграфе.

К сожалению, этот принцип мировой цивилизацией не выполняется при производстве и преобразовании энергии. Любая созидательная деятельность цивилизации является, по сути, борьбой с ростом энтропии, которая осуществляется ‘созданием актуальной упорядоченности из неактуальной упорядоченности’ (К. Ребане). Процесс поддержания низкого уровня энтропии человеческого цивилизованного биоценоза до настоящего времени осуществляется вынужденным уничтожением эксергии невосполняемых конечных запасов качественных природных энергоносителей и сопровождается тепловым и химическим загрязнением экосистемы. По данным Мирового энергетического совета, 88 % энергетических потребностей человечества, составляющих приблизительно 3·1020 Дж в год, удовлетворяется сегодня с помощью энергозатратных тепловых машин, КПД которых редко превышает 0,4, что и определяет глобальный масштаб теплового загрязнения окружающей среды, составляющий, примерно, 1020 Дж в год. Бесполезное сжигание в используемых тепловых машинах свыше половины добываемых низкоэнтропийных, концентрированных природных энергоносителей, сопровождаемое сжиганием около 90 % кислорода, производимого всей наземной флорой, вызывает нарушение баланса процессов природной репродукции кислорода и углекислого газа.

Ежегодный аптропогенный выброс углекислого газа при этом составляет приблизительно 1010 т при общем его содержании в атмосфере 2,3·1012 т. Создана недопустимая диспропорция в распределении потребляемой коммерческой энергии, когда при 5-процентном ежегодном мировом росте выработки энергии 1/3 населения мира до сих пор вообще не пользуется коммерческой энергией, а 5/6 испытывают острейший энергетический дефицит. Возникла концентрация экологических факторов риска для промышленно развитых урбанизированных биогеоценозов, включающих 20 % населения Земли, но потребляющих 80 % всей производимой энергии. Все это создает глобальную угрозу природе и человечеству. Наращивание объемов существующих несовершенных технологий производства и преобразования энергии – лишь видимость устойчивого развития, так как эра дешевой нефти и газа заканчивается. Современную цивилизацию настигнет энергетический и экологический кризис раньше, чем будет достигнуто энергетическое изобилие.

Единственно приемлема ‘гуманизированная’ модель глобальной цивилизации, базируемая на возможности преобразования необходимого количества чистой энергии как для общественного, так и для индивидуального использования без затрат невосполняемых энергоносителей при экологической антропогенной безопасности от факторов риска, вызванных промышленной деятельностью цивилизации, когда каждый член общества, наряду с имеющимися правами и свободами, получит новые правовые категории из области свобод личности – право на обеспеченные индивидуальную энергонезависимость и экологическую антропогенную безопасность. Независимо от общественного централизованного энергетического производства должны удовлетворяться потребности в энергии, необходимой для обеспечения жизни и деятельности каждого человека в выбранном им месте проживания, а также для индивидуальных средств передвижения, связи, информации:

Научный анализ показывает реальную возможность сохранения экосистемы и преодоления экологического кризиса за счет исключения отрицательного воздействия тепловых машин для производства и преобразования энергии на человека и окружающую среду, переходом к удовлетворению мировых энергетических потребностей, в основном, децентрализованным методом, с использованием чистой тепловой энергии окружающей среды. Земля с ее запасом воды и газовой атмосферы является гигантским термостатом – аккумулятором бесконечной неисчерпаемой тепловой энергии низкого качества, постоянно подзаряжаемым потоком лучевой энергии Солнца (5,6·1024Дж в год ~1кВт/м2). К сожалению, современная цивилизация до сегодняшнего времени не имеет технологии чистого использования бесконечной восполняемой чистой тепловой энергии, рассеянной в изотермической окружающей среде. Одним из немногих реализованных проектов использования теплоты морской воды была маломощная энергоустановка французов Ж. Клода и П. Бушеро, реализовавших в 1930 г. идею своего учителя Д’Арсонваля (1881 г.) использования существующих в тропических или приполярных условиях природных разностей температур для работы паросилового цикла. Концепция ‘чистой энергии’ позволит гармонизировать отношения человека с цивилизацией и цивилизации с природой посредством использования бесконечной чистой восполняемой тепловой энергии окружающей среды для обеспечения жизни и деятельности людей и удовлетворения их индивидуальных и общественных энергопотребностей с исключением экологического антропогенного риска. Разработана теория и научно-техническая основа методов создания общедоступной, концептуально новой технологической инфраструктуры децентрализованного безтопливного индивидуального производства и преобразования возобновляемой чистой тепловой энергии окружающей среды с использованием энергосберегающих термодинамических и термоэлектрических систем.

Решение проблемы индивидуальной энергонезависимости от общественного централизованного производства предусматривает в условиях глобальной цивилизации использование чистой восполняемой тепловой энергии окружающей среды и гармонизацию экологических и энергетических отношений человека и цивилизации, цивилизации и природы на базе использования новых энергосберегающих термодинамических и термоэлектрических технологий. Предусматривается полное исключение тепловых и химических загрязнений при энергосберегающем преобразовании теплоты и работы в термодинамических и термоэлектрических машинах для удовлетворения энергетических потребностей человека и для промышленных потребностей; обеспечение каждого человека общедоступным оборудованием для получения чистой восполняемой энергии, необходимой для его жизни и деятельности. Первое начало термодинамики утверждает эквивалентность теплоты и работы как способов передачи энергии и применительно к бесконечной энергии окружающей среды не запрещает ее использование, но второе начало отрицает возможность полного перехода теплоты одного источника в работу в круговых процессах без осуществления каких-либо изменений. Второе начало имеет несколько определений – Р. Клаузиуса, Л. Больцмана, У. Томсона, М. Планка, В. Оствальда, К. Каратеодори и др. Версия У. Томсона (1851 г.) с уточнением М. Планка гласит: ‘Нельзя построить (периодически действующую) машину, которая отнимала бы тепло от одного источника и превращала бы его в работу без того, чтобы тела, принимающие участие в рабочих процессах, не претерпевали бы каких-либо изменений’. Она не отрицает возможности использования теплоты одного источника, если при этом производятся и другие изменения.

Например, в непериодически проводимых изотермических процессах осуществимо полное преобразование теплоты в работу с изменением плотности рабочего вещества (РВ), а в микро- и макромирах и квантовых системах с отрицательной температурой второе начало в формулировке У. Томсона вообще не действует, в них возможно полное преобразование теплоты в работу вообще без каких-либо изменений. При превращении теплоты в работу между температурными уровнями двух источников теплоты канонизированный термодинамический сценарий предусматривает полный обмен теплом между РВ и каждым из двух источников теплоты, а наивысшее КПД преобразования тепла в работу при этом обеспечивают обратимые циклы Карно, в которых РВ получает все тепло от теплоотдатчика (источника высокой температуры) и отдает все свое тепло теплоприемнику (источнику низкой температуры). Тепловая энергия в циклах Карно преобразуется в полезную работу не полностью, неиспользованная часть теплоты (‘энтропийный налог за полезную работу’), пропорциональная отношению температур теплоприемника и теплоотдатчика, отдается теплоприемнику в виде тепловых отходов и выводится из цикла за границы системы.

Первое и второе начала термодинамики, сформулированные для изолированных термодинамических систем, соответственно, в виде обратимого равенства и необратимого неравенства, разделены и могут быть объедены в обобщающее начало только определением условий полного обратимого циклического превращения теплоты и работы без эксергетических потерь теплоты. Разработано обобщающее начало термодинамики в виде следующего утверждения: ‘Теплота и механическая работа равноценны как способы передачи энергии и полностью обратимы в периодических процессах, образованных из непериодических полных превращений теплоты и работы круговым переходом в исходное состояние с идеальной регенерацией термической эксергии невзаимных переходов и необратимым увеличением энтропии и анергии при постоянной температуре и давлении без выполнения работы’.

Плотность полного обратимого циклического преобразования теплоты одного источника в работу с помощью второго источника, но без передачи ему части теплоты и без его энтропийной деградации. На основе обобщающего начала разработаны новые идеальные обратимые термодинамические и термоэлектрические циклы (образцовые, взамен циклов Карно), в которых взаимодействие трех физических антиподов – энтропии, эксергии и энергии (в периодически проводимых процессах) не сводится к сумме элементарных циклов Карно и превосходит их по термодинамической эффективности. Новые идеальные циклы коренным образом изменяют структуру теплообмена и кардинально повышают эффективность преобразования теплоты и работы. Энергосберегающие (сберегающие эксергию энергоносителей) или энергозакрытые термодинамические процессы проводятся обратимо между температурными уровнями двух источников теплоты без отдачи эксергии РВ теплоприемнику, но с компенсацией энтропии. Это дает возможность в изолированной системе с бесконечным энергетическим ресурсом одного источника (например, окружающей среды) ‘бесконечно’ обращать теплоту в работу или теплоту в эквивалентную теплоту в циклических обратимых процессах с помощью второго источника, но без его энтропийной деградации. Компенсация уменьшения энтропии рабочего источника осуществляется изменением объемной, потенциальной энергии РВ.

В температурном поле второго источника может производиться, например, необратимое непрерывно-циклическое увеличение энергии РВ без совершения работы и теплообмена. Рост энтропии РВ происходит за счет потери работы, которая могла быть выполнена превращаемой теплотой при переходах к более устойчивому состоянию при диффузии, рекомбинации, замерзании, конденсации, взрыве или химической реакции, в необратимом процессе расширения при высвобождении пространства для объема молекулярного или электронного газа при постоянном давлении и температуре. Увеличение энтропии в этом случае происходит за счет потерянной работы и аналогично изменению энтропии в парадоксе Гиббса, когда при смешении молекулярных или электронных газов после удаления перегородки между двумя геометрическими объемами двух газов не происходят изменения внутренней энергии, энтальпии, температуры и давления, но энтропия увеличивается больше, чем аддитивная сумма энтропий.

Термодинамическая и термоэлектрическая эффективность новых энергосберегающих циклов превышает эффективность циклов Карно, и их невозможно представить в виде суммы элементарных циклов Карно. Функции двух источников теплоты и структура теплообмена в энергосберегающих циклах концептуально изменяется по сравнению с циклами Карно: рабочий источник обменивается эксергией с РВ, а адиабатический источник – энергоприемник – закрывается для подобного обмена, с его помощью производится изменение термической энергии и преобразование энтропии. Температурный потенциал адиабатического источника необходим для изменения теплового состояния РВ за границами адиабатического источника в процессе циркуляции РВ в цикле. Эксергия адиабатического источника не расходуется в энергосберегающих циклах, например как не расходуется энергия постоянного магнита в магнитоэлектрических эффектах. Возникают неизвестные ранее феномены: в любом энергосберегающем цикле температура адиабатического источника может быть установлена как ниже, так и выше соответствующих параметров рабочего источника, например окружающей среды, а циклы могут иметь нормальное (общепринятое) чередование тепловых процессов, то есть для силовых (холодильных и нагревательных) циклов – по часовой стрелке, для нагревательных циклов – против или аномальное чередование. Прохождение РВ в состоянии термической анергии через тепловое поле адиабатического источника, без теплообмена с ним, при постоянной температуре, не вызывает деградации его тепловой энергии. Деградация тепловой энергии адиабатического источника будет происходить, в основном, только за счет несовершенства тепловой изоляции адиабатического источника и технической диссипации теплоты элементами машины.

Энергосберегающий подход выявил неизвестные ранее физические явления, таких как превышение термических и энергетических КПД энергозакрытых циклов, КПД аналогичных циклов Карно и, вследствие этого, приобретение окружающей средой работоспособности над рабочим веществом в энергозакрытых прямых циклах; возможность в энергозакрытых циклах превращения всей теплоты, полученной на уровне температуры окружающей среды в электрическую энергию или в эквивалентное количество теплоты, подводимое на более высоком уровне температуры к объекту нагрева без затрат энергоносителей; возможность в энергозакрытых циклах превращения всей теплоты, полученной на уровне температуры окружающей среды в эквивалентное количество теплоты, отбираемое на более низком уровне температуры от объекта охлаждения без затрат энергоносителей; приобретение теплотой объекта охлаждения работоспособности над рабочем веществом в энергозакрытых холодильных циклах – самопроизвольное охлаждение; аномальное прохождение энергозакрытых циклов; аномальные обращения энергозакрытых циклов; возможность рекуперации подводимой механической энергии в теплоту и создания единой термодинамической шкалы работоспособности теплоты на базе силовых зксергозакрытых циклов и т. д.

Новый энергосберегающий подход применим ко всем известным термодинамическим силовым, холодильным и нагревательным циклам и позволяет повысить их термические и энергетические КПД до уровня теоретических пределов (до 0,9-0,94), включая газовые, газоабсорбционные, парокомпрессорные и другие термодинамические циклы любых тепловых машин для преобразования теплоты и работы. Новый энергосберегающий подход применим к известным термоэлектрическим энергетическим, холодильным и нагревательным циклам с РВ в виде электронного газа в полупроводниковых структурах и позволяет повысить их термические и энергетические КПД до уровня теоретических пределов, а также к квантовым системам с отрицательными температурами для генерирования энергии и криоохлаждения и позволяет также повысить их термические и энергетические КПД. Разработка ‘законопослушной’ научной концепции, объединяющей первое и второе начала термодинамики в единое обобщающее начало для полного обращения теплоты и работы в периодических энергосберегающих термодинамических и термоэлектрических циклах, не сводимых к сумме элементарных циклов Карно, открывает возможность получения экологически чистой энергии окружающей среды в системе двух источников теплоты (без расходования невосполнимых энергоносителей) децентрализованным методом для индивидуального и промышленного использования. Феномен чистой энергии может привести к гармонизации отношений человека и цивилизации, цивилизации и природы, экологизации жизни и сознания людей, деурбанизации, уменьшению энергозависимости человека от государства, повышению уровня его социальной самодостаточности, степени личностной свободы в выборе места и способа жизни, повышению его физической и социальной мобильности, освобождению человека от излишней регламентированности со стороны государства, расширению его творческих возможностей, устранению энергетического дефицита, снижению себестоимости производимой электроэнергии и, соответственно, себестоимости продукции, производимой с затратой электроэнергии, удовлетворению дефицита энергии для обеспечения жизни, деятельности и досуга человека, росту уровня жизненного потенциала человека и цивилизации.

Возможно создание энергосберегающего машиностроения, включающего экологически чистые энергоустановки и двигатели для средств передвижения и механизации ручного труда; энергосберегающее оборудование для кондиционирования воздуха, холодильной и криогенной техники; оборудования для термодинамического нагрева жидкостей и газов и т. д.; энергосберегающей полупроводниковой и квантовой термоэлектроники и термоэнергетики, включающей автономные полупроводниковые термоэлектрические источники тока, автономные комплексы жизнеобеспечения для экодомов, теплохолодоэлектростанции, полупроводниковые источники электропитания для микроэлектронной аппаратуры, энергосберегающие источники света и квантовые приборы. Использование нового обобщающего начала термодинамики и новых энергосберегающих технологий на его основе открывает возможность прекращения использования или кардинального сокращения потребления невосполняемых энергоносителей для энергетики, теплофикации, транспорта, промышленности, сельского хозяйства и т. д.; исключения отрицательного воздействия тепловых машин на окружающую среду за счет удовлетворения мировых энергетических потребностей чистой тепловой энергией окружающей среды; обеспечения права каждого человека на индивидуальную энергонезависимость и экологическую антропогенную безопасность, решения проблемы энергетического дефицита и снижения себестоимости производимой электроэнергии и, соответственно, стоимости продукции, производимой с затратой электроэнергии; удовлетворения де-фицита энергии, необходимой для обеспечения жизни, деятельности и досуга каждого цивилизованного человека; осуществления экологизации жизни и сознания людей, деурбанизации, уменьшения энергозависимости человека от государства, повышения уровня его социальной самодостаточности, степени личностной свободы и гармонизации, физической и социальной мобильности личности, уменьшения регламентированности жизни человека со стороны государства, расширения его социально-психологических, экономических и биологических возможностей. Переход к чистой энергии может кардинально изменить структуру мировой экономики, отношения человека с цивилизацией и цивилизации с природной окружающей средой, образ жизни человека и цивилизации. Возможны значительные геополитические, экономические, социальные, политические и морально-психологические изменения как на глобальном уровне, так и в масштабах отдельных стран.

Результаты проекта могут дать возможность кардинального решения большинства из существующих ныне энергетических, транспортных, экологических проблем. Освоение чистой энергии может вызвать значительные изменения в технике и технологиях, связанных с производством и потреблением энергии теплоты и работы. На сегодняшний день уже разработаны проекты: эксергосберегающих термодинамических машин, а также термоэлектрических полупроводниковых и квантовых преобразователей для индивидуального децентрализованного производства электроэнергии, теплоты (холода), света в местах потребления без использования энергоносителей; дешевых и высокоэффективных эксергосберегающих тепловых машин и термоэлектрических преобразователей для эффективного использования разности температур природных источников теплоты (морской воды и воздуха в приполярных областях, поверхностных и глубинных вод в тропиках, геотермальных источников Солнца, Земли и т. д.), утилизации низкопотенциальной теплоты сбросов промышленных и коммунальных предприятий; систем автономного комплексного теплоэнергетического жизнеобеспечения жилых экодомов на базе чистой тепловой энергии окружающей среды, без использования невосполняемых энергоносителей; унифицированных, абсолютно экологически чистых двигателей с новыми эксергосберегающими циклами для комплексного применения в электроэнергетических установках, промышленности, сельском хозяйстве, строительстве, коммунальном хозяйстве, при механизации ручного труда и на транспорте; тепловых машин, составляющих новую отрасль – эксенергосберегающее турбо (моторо)-, генераторостроение, новые газовые, паровые и газоабсорбционные стационарные и мобильные тепловые машины с широким диапазоном мощности с внешним подводом теплоты, для общественного энергопроизводства с недоступной ныне эффективностью, в том числе и не потребляющие невосполняемых энергоносителей; эксергобезотходных бесшумных двигателей внутреннего и внешнего сгорания с недоступной ныне эффективностью использования теплоты; эксергобезотходных холодильных машин, оборудования для кондиционирования воздуха, криогенного оборудования с недоступной ныне эффективностью использования тепловой или электроэнергии; эксергобезотходных термодинамических и термоэлектрических нагревателей жидкостей и газов с недоступной ныне эффективностью использования энергии; микроэлектронной аппаратуры связи, ТV, вычислительной техники и т. д. со встроенными полупроводниковыми термоэлектрическими или термодинамическими источниками электропитания ‘второго рода’. Предлагаемые эксергосберегающий научный подход, технологии и ноу-хау, а также инновационные проекты тепловых машин на их базе могут быть эффективным способом обеспечения устойчивого развития и перехода к глобальной цивилизации с новой общественной моделью, с развитой чистой эксергосберегающей энергетикой, машиностроением и электроникой, не уничтожающих природные невосполняемые энергоносители и не оказывающих вредного воздействия на биосферу и резкого наращивания на этой основе научно-технического и интеллектуального потенциала человечества.

Александр Горбань