Макроскопічна енергетика

Функціонально-конструктивна схема.

Макроскопічна енергетика (англ. macroscopic power або англ. macroscopic power engineering) — складова частина електроенергетики, наука та галузь, яка вивчає і використовує макроскопічні елементи робочого тіла, наприклад, потоки пари, води чи повітря, взаємодію цих макроскопічних елементів між собою, з електричними та магнітними полями, та їх дію на інші тіла з метою вироблення, накопичення, розподілу та використання електричної енергії.

Ключовими поняттями та предметом дослідження макроскопічної енергетики є робоче тіло, потік, макроскопічні способи (технології) та технічні засоби (системи) виробництва, накопичення, розподілу та використання електричної енергії.

Макроскопічні технології та системами енергетики

Поділ світу на макросвіт із його макрооб'єктами та мікросвіт із його мініатюрними об'єктами обумовив і відповідний поляризаційний розвиток енергетики, науки та галузі, яка вивчає та використовує енергетичні ресурси з метою вироблення, передачі, накопичення та розподілу енергії. Існуючі об'єкти електроенергетики, зокрема, теплові електростанції на викопному паливі (ТЕС), атомні електростанції (АЕС), електростанції, що використовують природні відновлювані енергетичні ресурси (сонячне випромінювання, вітер, атмосферні опади, припливні хвилі, теплоту Землі тощо), можна назвати макроскопічними системами енергетики, а технології (сукупність способів та технологічних процесів), які в них застосовуються для виробництва електричної енергії — макроскопічними технологіями енергетики (англ. bulk technologies). Вони засновані на маніпуляціях макроскопічними елементами робочого тіла, наприклад, потоками пари, води чи повітря, на взаємодії цих макроскопічних елементів між собою та їх дії на інші тіла.

У розрахунках параметрів та характеристик макроскопічних енергетичних споруд та обладнання використовується положення гідромеханіки та термодинаміки. Гідромеханіка — наука про поведінку рідинних та газоподібних середовищ (флюїдів). Властивості флюїдів у стані рівноваги досліджуються в рамках гідростатики, при дії сил — у рамках гідродинаміки. Термодинаміка — розділ фізики про співвідношення теплоти, температури, роботи та енергії. Предметом досліджень термодинаміки є процеси перенесення та перетворення енергії. Теплота розглядається як одна із форм енергії, що спроможна виконати відповідну механічну роботу. У рамках гідродинаміки немає необхідності заглиблюватись у будову робочого тіла. Фундаментальним поняттям гідродинаміки є потік. У фізиці поняття потоку асоціюється зі спрямованим рухом великого числа пов'язаних між собою частинок. Це неперервний рух матерії чи поля, що характеризується напрямками у кожній своїй точці, наприклад, потік рідини, повітря, плазми, електромагнітного випромінювання, тепла тощо. В енергетиці макроскопічні елементи робочого тіла, будь воно у рідкому чи газоподібному стані, є величезними множинами окремих молекул та атомів, поєднаних у групи, що здійснюють колективні впливи, що у сукупності діють як одне ціле. Активним тілом у загальному випадку є пластична речовина (флюїд, англ. fluid), яка легко деформується (плине) під напруженням зсуву. В теплових електростанціях активним тілом служить потік водяної пари, в гідроелектростанціях — плинна вода, у вітрових електростанціях — потік повітря.

У гідродинаміці вивчають рух не окремої молекули, а цілого елемента об'єму, що складається з великої кількості молекул, і цей елемент розглядається як частинка флюїду або точка.

Лінії течії.

Для повного опису стану рідини, газу чи плазми необхідно і достатньо задати п'ять величин: три компоненти швидкості v = v(x, y, z, t), тиск р = р(x, y, z, t) та густину ρ = ρ(x, y, z, t) флюїду. Змінні параметри x, y, z, t цих функцій характеризують координати та час певної точки простору, заповненого флюїдом. Лінія, дотична до якої дає напрямок швидкості частинки в даний момент часу, зветься лінією течії. Літерами $A_{1},B_{1},C_{1},A_{2},B_{2},C_{2}$ позначені точки в просторі флюїду; через які проходять лінії течії SL1, SL2. Користуючись лініями течії графічно зображають поле швидкостей — функцію розподілу швидкостей флюїду v = v(x, y, z, t) у кожній точці простору при фіксованому часі $t=t_{0}[c]$,

Трубки течії.

v₁ = v(x₁, y₁, z₁, t₁);

v₂ = v(x₂, y₂, z₂, t₂);                                  

v₃ = v(x₃, y₃, z₃, t₃).

Густина ліній течії пропорційна швидкості в даному місці. Частина рідини, газу чи плазми, яка обмежена з усіх боків лініями течії, зветься трубкою течії. На трубки течії STB1, STB2 можна розділити весь простір, що займає потік. Якщо рух нестисливого флюїду певної густини задано векторним полем швидкостей, тоді маса флюїду, що протече за одиницю часу через поверхню А, буде дорівнювати потоку векторного поля v через поверхню А. Фізична інтерпретація потоку — повна енергія, яка переноситься потоком флюїду за одиницю часу через дану поверхню. Рух потоку флюїду можна описати рівняннями Нав'є-Стокса, складеними на основі законів збереження маси, моменту та енергії при застосуванні 2-го закону Ньютона до руху в'язкого флюїду

У класичній термодинаміці питома вага (густина) ρ_FL [кг/м³], тиск p [Па] і температура T [К] рідини зв'язані між собою рівнянням

f(ρ_FL, p, T) = 0.

Взаємодія потоку з твердим тілом.

Флюїд рухається під дією зовнішніх сил і взаємодіє з твердими тілами SB, які находяться на його шляху. Взаємодіючи з рухомими елементами (роторами), потік флюїду може здійснити  енергетичні перетворення.

Склад та принцип роботи макроскопічної системи енергетики

У макроскопічній системі енергетики застосовується, зазвичай, технологія покрокового виробництва електричної енергії.

Структурна схема макроскопічної енергетичної системи.

На першому етапі механічна кінетична енергія флюїду KNFL за допомогою динамічного перетворювача DN (турбіни) обертається в кінетичну енергію KNR масивного ротора TBR.

На другому етапі кінетична обертальна енергія ротора турбіни KNR у електродинамічному перетворювачі ED трансформується в електричну енергію ЕE. Функцію електродинамічного перетворювача виконує електрогенератор EG, що складається, з рухомої частини EGR (наприклад, магніту або електромагніту N-S) та нерухомої частини (статора), наприклад, провідникової обмотки WG. Згідно закону електромагнітної індукції Майкла Фарадея у провіднику, який перебуває у змінному магнітному полі, виникає струм І. Його напрям є перпендикулярним векторам магнітної індукції В та швидкості руху магнітного поля v відносно провідникової обмотки WG. Параметри електричного струму ЕС доводяться в електричному адаптері ЕА до стандартних значень, і струм спрямовується в електричну мережу EG.

Макроскопічна природа елементів робочого тіла (потоків пари, води чи повітря), особливості взаємодії макроскопічних елементів між собою та їх дії на інші тіла ускладнюють схеми систем енергетики, у тому числі, відновлюваної. Про це свідчить велика кількість публікацій, зокрема, фундаментальна оцінка ринку відновлюваної енергетики, виконана Кутлером Клівлендом та Крістофером Моррісом і викладена у енциклопедичних виданнях, словниках та довідниках. Глибокий аналіз сучасного стану розвитку технологій відновлюваної енергетики, теоретичне обґрунтування та методологію інтеграції систем можна знайти в роботах Генріка Лунда.

Обмеження існуючих технологій та систем енергетики 

Досвід експлуатації висвітлив переваги, проте, засвідчив і суттєві вади існуючих систем енергетики. Так як енергетичні перетворення у системах відбуваються за допомогою масивних рухомих елементів (роторів), це обумовлює їх високу інерційність та необхідність періодичного обслуговування протягом всього строку експлуатації.

З іншої сторони, існуючі енергетичні об'єкти, зазвичай, є системами непрямої дії. Вони потребують подвійного і, навіть, потрійного проміжного перетворення енергії. Наприклад, у гідроелектростанціях та вітрових електростанціях механічна кінетична енергія водяного або повітряного потоку спочатку обертається у кінетичну енергію роторів гідро- та вітротурбін. Внаслідок перехідних енергетичних трансформацій схеми електростанцій ускладнюються, і знижується їх виробнича ефективність (коефіцієнт корисної дії).

На додаток, велетенські енергетичні об'єкти породжують суттєві екологічні проблеми, зокрема, викиди парникових газів і забруднення довкілля у разі використання викопного органічного палива, запаси якого, до речі, на Землі швидко скорочуються. Значні капіталовкладення у фундаментальні та прикладні дослідження дозволили кількісно накопичити нові знання, втім, до цього часу не забезпечили якісного прориву у створенні енергоефективних та доступних систем відновлюваної енергії. І в подальшому можливості підвищення енергоефективності макроскопічних систем будуть звужуватись через невідповідність якості конструктивних матеріалів умовам їх використання.

Розрахунки свідчать, навіть прогрес у створенні енергетичних перетворювачів, окремі удосконалення як то безгреблеві гідроелектростанції на основі напівзанурених та занурених гідротурбін; вітротурбінні гідроакумулювальні електростанції, вітротурбінні системи виробництва й постачання тепла населеним пунктам, промисловим та агропромисловим об'єктам кількісне їх нарощування не в змозі кардинально вирішити назрілі проблеми макроскопічної енергетики в рамках класичних положень гідромеханіки та термодинаміки.

Гідравлічні та вітрові ресурси, які живлять роботу гідроелектростанцій та вітрових електростанцій, є також обмеженими і часто географічно віддаленими від місць споживання. Регулярні гідрометричні спостереження засвідчують рекордно низький приплив вод на річках та обміління водосховищ у різних частинах світу. Все частіше виникають проблеми водозабезпечення посушливих регіонів. Більшість кліматичних моделей вказують на зменшення у найближчі три десятиліття водності річок Центральної Європи, басейну Середземного моря, Центральної Америки та Бразилії. Зміни водного режиму річок уже сьогодні негативно відбиваються на стані пов'язаних галузей економіки. У повідомленні Національної енергетичної компанії «Укренерго» йдеться про низьку водність річки Дніпро. Через низький приплив вод на річках дніпровського басейну порушується стан екосистеми, а коефіцієнт використання встановленої потужності ГЕС складає всього 30-40 %. Наявні макроенергетичні технології не забезпечують високого рівня використання гідрологічних ресурсів, нерідко звужують технічно доступний та економічно доцільний гідрологічний потенціал. Для об'єднаної енергосистеми України виникає загроза втрати регулюючих та маневрових потужностей гідроелектростанцій. Під великим питанням залишається побудова в Україні нових потужностей, оскільки запаси вільних гідроресурсів катастрофічно вичерпуються, як не стало їх задовго до цього і в країнах Європейського Союзу.

Великі надії сьогодні пов'язані зі зростанням світової вітроенергетики, що перевершує найоптимістичніші прогнози. Будуються нові й оновлюються старі вітропарки. Віджилі вітрові турбіни замінюються сучасними, більш потужними. Загальна встановлена потужність вітрових електростанцій в країнах Європейського Союзу на кінець 2017 року становила 169 ГВт, а виробляють вони сьогодні 11,6 % всієї електроенергії. Електроенергія, що виробляється вітровими електростанціями, по вартості нині зрівнялася з електроенергією, виробленою тепловими електростанціями. Експерти завбачують чергове падіння вартості вітрової електроенергії на 24-30 % до кінця 2030 року і на 35-41 % — до кінця 2050 року. Попри те що 18-68 ТВт вітрових ресурсів є технічно досяжними та економічно доцільними для використання, світова частка освоєного потенціалу на кінець 2018 року становила всього 597 ГВт..

Вочевидь, наявні макроскопічні технології енергетики, у тому числі, відновлюваної, не милують око різноманіттям і технічними рішеннями. У частини споживачів може скластися враження: виробляти енергію означає спалювати органічне паливо та рухати провідникову рамку біля магніту. Такі думки мають під собою певний ґрунт: старі технології, які характерні для енергетики вчорашнього дня, на жаль, збереглися до наших днів. Нові часи потребують і нових технологій. Те ж спалювання, надаючи енергію, має шкідливий зворотний ефект і повертається нам численними бідами у вигляді хвороб, кліматичних змін і погодних катаклізмів. Енергії як і Всесвіту, що її породив, властиві всі ознаки нескінченності, але енергетичні ресурси, на жаль чи на щастя, завжди вичерпні — і ми це побачили на прикладі викопного органічного палива. Спочатку його поклади здавалися нам безмежними, сьогодні ж за доступ до цих енергетичних ресурсів ведуться справжні війни. Водні та вітрові ресурси і, навіть, технологічно досяжні та економічно доцільні ресурси сонячного випромінювання, які ми уловлюємо за допомогою існуючих технологій, при уважному розгляді також виявилися не такими безкрайніми, як спершу здалося. Клімат на Землі, як і вся природа. перероджується. Ріки змінюють своє русло, міліють або ж і повністю пересихають. Уловлювати вітер завжди було складно, а тепер ми чекаємо його кожного подиху інколи тижнями і місяцями.

Наші можливості визначаються доступною нам енергією, вони ж нею і обмежені, потреби в енергії зростає і зростатимуть надалі. Для того щоб задовольнити потреби суспільства в електричній енергії, існуючих ресурсів, вочевидь, недостатньо. Не відповідають вони повною мірою і вимогам сталого розвитку. Магістральним шляхом подолання проблем розвитку галузі є удосконалення існуючих та створення принципово нових технологій виробництва кінцевої електричної енергії із застосуванням глибинних енергетичних перетворень, які б дозволили використовувати новітні джерела відновлюваної енергії а також раніше технічно недоступний та економічно недоцільний енергетичний потенціал.

Звичайно, розробляти макроскопічні системи і надалі корисно — вони того варті. Інша справа — змінити методологічні підходи, до цього нас спонукають досягнення в галузях нанотехнологій, біотехнологій, комп'ютерного моделювання. Існуюча методологія буде використовуватися доти, поки задовольнятиме всіх і не входитиме в протиріччя з фактами.

Альтернативою макроскопічній енергетиці може стати молекулярна енергетика.