СТРУКТУРА І ТЕНДЕНЦІЇ РОЗВИТКУ ЕНЕРГЕТИКИ
1.1. Роль енергети ки в розвитку цивілізації
Уся історія людства і становлення цивілізації — це історія освоєння енергії і розвитку енергетики. Відповідно до сформованих уявлень весь тривалий процес освоєння енергії людиною можна умовно розділити на п’ять етапів.
Перший етап — етап мускульної енергії, почався багато тисячоліть тому і тривав до V-VII ст. н. е. Великим досягненням цього періоду є оволодіння вогнем. Це відбулося 80-150 тис. років тому і знаменувало собою один з найважливіших переломних моментів в історії цивілізації. Поступово люди стали використовувати силу приручених тварин, вітру і води. До початку нашого літочислення належить запуск першого млина з колесом, яке приводилося в рух кінетичною енергією водяного потоку (без застосування мускульної енергії). Прийшов час другого етапу освоєння енергії.
Другий етап (VII-XVII ст.) починається з освоєнням енергії вітру і води. Уже в XI ст. людство мало досвід використання водяних млинів і вітряків, з’явилися прядильні і ткацькі верстати, маслоробні і паперови — робні машини, лісопильні установки. Усе це потребувало величезної кількості металу, а отже — енергії. Для виробітку великої кількості вугілля з деревини зводили нанівець величезні площі лісів. Це була перша серйозна екологічна криза антропогенного походження, пов’язана з розвитком промисловості. З’явилася потреба в нових, більш потужних і постійно діючих приводах, які б не залежали ні від розміщення, ні від сезону року. Вихід з цієї енергетичної кризи було знайдено за допомогою опанування «рушійної сили вогню», яку використовували для нагрівання і випарову — вання води, а також застосування сили стиснутої пари. Прийшла ера третього етапу в розвитку енергетики.
Третій етап (від XVIII до початку XXст.) відповідає ширшому застосуванню вогню, джерелом якого є хімічна енергія палива, накопиченого в літосфері: кам’яного вугілля, нафти, газу, горючих сланців тощо.
До середини XVIII ст. було реалізовано давні спроби одержати механічну енергію за рахунок теплової. 1755 р. англійський коваль Томас Ньюкомен сконструював першу практично корисну парову машину. Оригінальну рівномірно працюючу парову машину створив 1763 р. російський винахідник Іван Ползунов. Парові машини цього часу мали багато недоліків: великі розміри і масу, дуже низький коефіцієнт корисної дії, вузьку сферу застосування та ін. Розвиток капіталізму в XVII-XVIII ст. зумовив зародження науки, яка сформулювала правила розробки і створення енергетичних двигунів. Промислова революція, як часто називають цю епоху великих відкриттів, докорінно змінила життя на нашій планеті. Головним наслідком цього стало остаточне падіння феодалізму і зміцнення капіталістичних виробничих відношень. У другій половині XVIII ст. в Англії Джеймс Уатт розробив прообраз сучасної парової машини безу — пинної дії, що «розкрутила» колесо історії до небувалих до цього обертів: в Англії, потім у континентальній Європі і Північній Америці швидко розповсюдилися парові машини. Одержувану з їхньою допомогою енер — гію стали використовувати для надання руху заводським механічним агрегатам. Виникають перші теплові машини-двигуни.
Далі наукова конструкторська думка приходить до створення двигу — нів внутрішнього згорання, парових, газових і парогазових стаціонарних турбін, авіаційних і транспортних газових турбін, реактивних і ракетних двигунів. Але все це буде набагато пізніше.
Спочатку парові машини було поставлено на колеса, у результаті чого одержали самохідні (по рейках) візки. Уже у 1804 р. англієць Річард Тревітік створив паровий локомотив, що рухався по рейках з нечуваною в ті часи швидкістю — 30 км/год, а 1805 р. американець Роберт Фултон сконструював перший пароплав, що виконував регулярні рейси рікою Гудзон між Нью-Йорком і Олбані. І нарешті, 1825 р. на трасі Стоктон — Дарлінгтон в Англії починає діяти перша залізниця.
Почалося «золоте століття водяної пари». Поряд із розвитком практичної теплотехніки розвиваються її теоретичні основи — теорія теплових двигунів або, як тепер називають, технічна термодинаміка. У середині поза минулого століття на основі спостережень за тепловими явищами і роботою теплових машин Джоуль, Майєр, Гельмгольц, Карно, Клаузіус встановили перший і другий закони термодинаміки, що лягли в основу цієї фундаментальної дисципліни, яка вивчає взаємне перетворення теплової і механічної енергії.
Однак швидке зростання кількості парових машин, їх безупинна модернізація до кінця І ст. вже були не в змозі задовольнити потреби економіки в енергетичних потужностях. Очевидними стали відомі недоліки перших парових машин: низький ККД, велика витрата палива, передача механічної енергії від машин до верстатів через складні і ненадійні системи трансмісій, несприятливі екологічні наслідки. Атмосфера міст з тисячами заводських димарів стає непридатною для життя. 1831 р. відкрито спосіб перетворення механічної енергії в електричну. Починається нова ера — ера електрики.
Четвертий етап (з початку XX ст.) — «золоте століття електрики».
Протягом усього XIX ст. для промислових цілей людина користувалася механічною енергією, яку одержувала в основному від теплових двигунів. Тільки в XX ст. електрика вступила в права основного енерго- давця, енергоперетворювача і енергопереносника. Тим самим було дано сильний поштовх до використання теплової енергії і теплових двигунів, пов’язаний з появою і широким застосуванням електричних машин і моторів, у яких механічна енергія перетворюється на електричну і навпаки. Електрична енергія виявилася більш зручною, ніж механічна: вона швидко і з відносно малими втратами передається на великі відстані, легко перетворюється на інші види енергії.
Поява теплових двигунів забезпечила широке використання для одержання механічної енергії величезних природних енергетичних ресурсів у вигляді: вугілля, нафти, газу, горючих сланців, торфу тощо. Успіхи у створенні машин і двигунів, які виробляють за рахунок теплової енергії електричну, зумовили швидкий розвиток потужних теплових електричних станцій, де нині теплова енергія перетворюється спочатку на механічну, а потім на електричну.
Водночас, завдяки науковим відкриттям XX ст., людство вступило в нову епоху — епоху використання атомної енергії.
П’ятий етап — створення і розвиток атомної енергетики — є одним з найбільших досягнень ст.
Атомна енергетика ґрунтується на розщепленні важких ядер деяких хімічних елементів (урану, плутонію, торію). У результаті влучення в ядро нейтрона розвивається ланцюгова реакція з виділенням величезної кількості енергії (теплоти). Один з трьох названих елементів — плутоній — поширений на Землі в мізерно малих кількостях (в уранових рудах). На сучасних атомних електростанціях ядерним паливом є збагачений природний уран і штучно одержаний плутоній. Торій, запаси якого більші, ніж урану, поки ще не застосовують у ядерній енергетиці, його розглядають як перспективне ядерне паливо. Ядерні реакції з величезним енерговиді — ленням можуть відбуватися також у результаті синтезу ядер елементів, які мають малу атомну вагу, наприклад ізотопів водню — дейтерію і тритію. Але це вже — термоядерна реакція.
Кожний історичний етап розвитку науки і техніки ставить перед ученими та інженерами багато проблем. Одна з основних проблем сучасності і найближчого майбутнього — забезпечення людства достатньою кількістю енергії. Проблема ця досить гостра, тому що має не тільки суто технічний характер. Слова енергія та енергетична криза щодня вимовляють з екранів телевізорів, не сходять зі сторінок журналів і газет, не кажучи вже про спеціальні видання. Енергетична ситуація в окремих державах істотно впливає на життєвий рівень і культуру населення, позначається на внутрішній і зовнішній політиці. Країни без ПЕР докладають великих зусиль, щоб забезпечити себе потрібними джерелами енергії. Країни — експортери нафти, нафтові монополії одержують величезні прибутки і надприбутки. З другого боку, інші країни виношують політичні і військові плани перерозподілу та збереження нафтових і газових промислів. Поняття нафтове ембарго викликає паніку в цілому ряді країн і стає знаряддям економічного і політичного шантажу. Усе частіше виникають питання: «Як жити далі без нафти і газу? Чим опалювати житло і виробничі помешкання? Як надавати рух машинам і агрегатам? Як підтримувати технологічні процеси? Звідки брати енергію, щодня усе більше енергії?»