Что такое современная тепловая электростанция? Вот ее упрощенная схема: топка котла, куда подаются топливо и окислитель, затем сам котел, в котором вода превращается в пар с температурой около 550 °C. Это наиболее выгодный со всех точек зрения температурный предел. Пар под высоким давлением поступает в неподвижно укрепленные металлические каналы (сопла турбины), в которых температура и давление пара уменьшаются, но зато увеличивается скорость движения его потока.
Струя пара с огромной скоростью, часто выше, чем скорость звука, вырывается из сопел и, меняя направление, по криволинейному каналу давит на лопатки турбины, приводя ротор во вращение. А поскольку ротор турбины на одном валу имеет и ротор электрического генератора, то и вся система приходит во вращение — обычно с постоянной скоростью, равной, как правило, 3000 об/мин. Это определяется выбранной частотой переменного тока — 50 герц, или 50 периодов в секунду.
Сейчас паровые турбины научились делать настолько совершенными, быстроходными, высокоэкономичными и обладающими таким большим ресурсом работы, что они вполне конкурентоспособны с гидрогенераторами. Достаточно сказать, что сегодня мощность паровых турбин в одновальном исполнении достигает 1200 тысяч киловатт, и это не является пределом.
После турбогенератора, совершив полезную работу, пар уже под низким давлением поступает в конденсатор, охлаждается, превращается в воду и снова подается насосом в котел.
Обычно тепловые электростанции строят поблизости от крупных водных источников, поскольку на каждый килограмм конденсируемого пара расходуется около 60 килограммов охлаждающей воды.
Конечно, любое невозобновляемое энергетическое сырье — топливо — нужно стремиться использовать, как говорится, на все 100 %. Ну, а можно ли еще повысить отдачу тепла? Оказывается, можно, если использовать его комплексно.
В нашей стране в этом отношении достигнуты большие успехи. В Советском Союзе большое распространение получили теплоэлектроцентрали — ТЭЦ. Они снабжают потребителя не только электроэнергией, но и теплом. ТЭЦ значительно экономичнее, чем ТЭС. Коэффициент полезного действия ТЭС не более 40 %, а коэффициент использования топлива на ТЭЦ приближается к 60–70 %.
«Наша страна — пионер теплофикации (одновременного производства тепла и электроэнергии), — пишет академик В. А. Кириллин в своей статье, посвященной перспективам развития энергетики. — Еще в 1924 году в Ленинграде была создана первая система централизованного теплоснабжения от электростанции. В 1983 году теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) перекрывали 33 процента потребностей тепла в стране. Свыше 800 городов и промышленных центров снабжаются теплом более чем 100 ТЭЦ. Теплофикация, наряду с экономией топлива, обеспечивает значительный экологический эффект. На ТЭЦ достигается высокая очистка продуктов сгорания от вредных примесей, уменьшается тепловое загрязнение водоемов, наконец, централизованное снабжение влечет за собой уменьшение числа мелких котельных, где не может быть обеспечена высокая степень экологической очистки».
Пока тепловые ГРЭСы — государственные районные электростанции — самые рентабельные сооружения. Их энергия дешевле любой другой, и окупаются они раз в десять быстрее, чем гидростанции. И все-таки, конечно, тепловые электростанции — это не решение вопроса. Ведь они потребляют невозобновимые топливные ресурсы планеты. А они, как мы знаем сегодня, увы, весьма ограниченны. Далее, несмотря на очистные сооружения, на дорогостоящие фильтры, тепловые электростанции наносят все же значительный экологический ущерб природе. Добыча топлива требует нарушения целостности земной поверхности. Вскрышные породы карьеров засоряют безжизненными отвалами большие площади. Выбросы сернистых и азотистых газов, пыли и тепла становятся опасными. Все это говорит о том, что нужно искать новые пути получения энергии.
На пути от «малой энергетики»
Однажды довелось мне побывать на прекрасном новом заводе, оборудованном по последнему слову техники. В просторных цехах в стерильной чистоте профильтрованного воздуха мне показали удивительное, почти волшебное действо. В горячей трубке-реакторе, нагретой почти до тысячеградусной температуры, под строго отмеренными дозами ионных лучей встречались пары бесцветной летучей жидкости — тетрахлорида кремния с парами цинка. Шла реакция, и на стенках трубки вырастали тонкие игольчатые кристаллы чистого кремния.