თბოენერგეტიკა

თბოენერგეტიკა — ენერგეტიკის დარგი, რომლის ამოცანაა თბური ენერგიის გარდაქმნა მექანიკურ ან ელექტრულ ენერგიად.

მექანიკური ენერგია მიიღება თბომექანიკურ დანადგარებში (თმდ), ელექტრული ენერგია კი – მექანიკური ენერგიის შემ­დგომი გარდაქმნისას ელექტრული გენერატორების დახმარებით ან ისეთი დანადგარებით, რომლებიც თბურ ენერგიას უშუალოდ გარდაქმნის ელექტრულ ენერგიად (მაგნიტოჰიდროდინამიკური გენერატორები, თერმოელექტრული გენერატორები, ენერგიის თერმოემისიური გარდამქმნელები).

სხვადასხვა სახის ­ენერგიის თბურ და მექანიკურ ენერგიად გარდაქმნის კანონებს, ამ გარდაქმნებში მონაწილე ნივთიერებების თვისებებს, სხვა­და­სხვა ტიპის სითბური დანადგარების, მანქანების, აპარატებისა და მოწყობილობების კონსტრუქციებს, მათი მუშაობის, გაანგარიშების, დაპროექტების, დამონტაჟების, გამართვისა და ექსპლუატაციის პრინციპებს, ასევე სხვა­და­სხვა სა­ხის ტექნოლოგიურ პროცესებში თბური ენერგიის გამოყენების საკითხებს შეისწავლის თბოტექნიკა.

თბოენერგეტიკის დანადგარების კლასიფიკაციას საფუძვლად უდევს ენერგორესურსების სახე.

თბოელექტროსადგური (თეს) თბოენერგეტიკის დანად­გარების ყველაზე ­გავრცელებული ტიპია, რომელიც იყენებს ორგანული სათბობის (ქვანახშირის, ნედლი ნავთობის, ბუნებრივი აირის, ბიოსაწვავის) წვის შედეგად გამოყოფილ თბურ ენერგიას. თესებში გამომუშავდება მსოფლიოში წარ­მოებული ელექტროენერგიის 80 %-მდე. ისინი აიგება ორთქლტურბინული და აირტურბინული დანადგარებით.

ორთქლტურბი­ნული­ ელექ­ტროსადგური ­ძირითადად შედგება ქვაბ-აგრეგატისა და ორთქლის ­ტურბინისაგან. დიდ ქალაქებში უმეტესად აგებენ კოგენერაციულ ელექტროსადგურებს – თბოელექტროცენტრალებს (თეცებს), ხოლო იმ რეგიონებში, სადაც სათბობი იაფია – კონდენსაციურ ელექტროსადგურებს. კოგენერაციული ელექტროსადგური ელექტრულ ენერგიასთან ერთად გამოიმუშავებს და მომხმარებელს აწვდის თბურ ენერგიასაც.

აირტურბინული ელექტროსადგური აირტურბინული ძრავაა. ასეთ ელექტროსადგურებს იყე­ნე­ბენ მაგისტრალური აირსადენების ენერგომომარაგებისათვის და პიკის საათებში დატვირთვის დასაფარავად, აგრეთვე – როგორც აირტურბინულ ბლოკთეცებს. ძალზე პერსპექტიულია მთელ მსოფლიოში უკვე ფართოდ გავრცელებული ელექტროსადგურები კომბინირებულ ორთქლაირული დანადგარებით. მათ ახასიათებს მაღალი ეკონომიურობა და კარგი ეკოლ. პარამეტრები. სათბობის მიერ გამოყოფილი სითბოს გამოყენების კოეფიციენტი ასეთ სადგურებში ძალზე მაღალია და შეადგენს 85–90 %, ხოლო გამომუშავებულ ელექტროენერგიაზე პირობითი საწვავის კუთრი ხარჯი მინიმალურია [∼200 კგ /(მეგვტსთ); საუკეთესო თბოელექტროსადგურებისთვის იგივე მაჩვენებელი 1.5-ჯერ უარესია – ∼300 კგ / (მეგვტ·სთ); გარდაბნის თეს-ზე – ∼400 კგ /(მეგვტ·სთ)].

ატომური ელექტროსადგურები (აეს) საუკუნის 50-იანი წლებიდან განვითარდა. პირველი ატომური ელექტროსადგური აიგო 1954 ქ. ობნინსკში (კალუგის ოლქი, სსრკ, სიმძლავრე 5 მეგვტ). ატომურ ელექტროსადგურებში ენერგეტიკულ რესურსს წარმოადგენს ე.წ. „ბირთვული სათბობი”. მძიმე ქიმიური ელემენტების – ურანის, პლუტონიუმის და სხვა იზოტოპების ატომბირთვების დაყოფის მართვადი ჯაჭვური რეაქციის შედეგად გამოყოფილი დიდი ოდენობის სითბო ორთქლტურბინული დანადგარის საშუალებით ელექტროენერგიად გარდაიქმნება. აესები გამოიმუშავებს მსოფლიოში წარმოებული ელექ­ტროენერგიის დაახლოებით 3%. ამასთან, ზოგიერთ ქვეყანაში თბოენერგეტიკის საფუძველს სწორედ აესები წარმოადგენს (საფრანგეთი – 78%-ზე მეტი; ბელგია, სლოვაკეთი – 50 %-ზე მეტი, უკრაინა – 50 %-მდე, სომხეთი, შვედეთი – 40 %-მდე და სხვ.). მსოფლიოში უმძლავრესი აეს კასივაძაკი-კარივა (იაპონია, 8212 მეგვტ) მოქმედებს 1997 წლიდან (დაზიანდა 2007 მიწისძვრის შედეგად, აღდგენილია 2010; 2011 უძლიერესი მიწისძვრის დროს არ დაზიანებულა). მიმდინარეობს 500 მეგვტ სიმძლავრის თერმო­ ბირთვული რეაქტორის მშენებლობა (საერთაშ. პროექტი , ბირთვული ენერგეტ. კვლ. ცენტრი „კადარაში” მარსელის სიახლოვეს, საფრანგეთი). ასეთ დანადგარებზე ენერგიის გამოყოფა ხდება წყალბადის იზოტოპების (დეიტერიუმი, ტრიტიუმი) მართვადი თერმობირთვული სინთეზის შედეგად. ბირთვული თბოენერგეტიკული ციკლი, რომელიც მოიცავს „ბირთვული სათბობის” წარმოების ყველა სტადიას, ასევე მის გადამუშავებას გამოყენების შემდეგ, შენახვასა და მაღალრადიოაქტიური ნარჩენების დასამარებას, საფრთხეს უქმნის ადამიანის ჯანმრთელობას ძირითადად მადნის მოპოვებისა და გამდიდრების სტადიაზე, აგრეთვე შესაძლო ავარიების შედეგად. აესების სამრეწველო ექსპლუატაციის დაწყებიდან მოხდა რამდენიმე მსხვი­ლი ავარია (თრიმაილ-აილენდი, პენსილვანია, აშშ, 1979; ჩერნობილი, უკრაინა, სსრკ, 1986; ფუკუსიმა, იაპონია, 2011), რომლებმაც გარემოს რადიოაქტიური დაბინძურება გამოიწვია. არ არის გადაჭრილი ექსპლუატაციიდან გამოყვანილი აესების კონსერვაციის პრობლემები.

გეოთერმული ელექტროსადგურები (გეოესი) იყენებს დედამიწის ღრმა ფენებში ბუნებრივად წარმოქმნილ თბურ ენერგიას – გეოთერმულ ენერგიას. 7–10 კმ და მეტ სიღრმეზე მშრალი, გახურებული კლდოვანი ქანების ტემპერატურა აჭარბებს 350°. ამ თბური ენერგიის (პეტრო­ენერ­გიის) მარაგი, შეფასებებით, ათ მილიონჯერ აჭარბებს დედამიწაზე ორგანული საწვავის ენერ­გიის სრულ მარაგს (პირობითი საწვავის 4·10¹² ტ). ტექტონიკურად აქტიურ რეგიონებში გეოთერმული ენერგია ამოაქვს მიწისქვეშა თერმულ წყლებს და ორთქლს, რომელიც ამოდის ზედაპირზე ბუნებრივი ბზარებით, ზოგჯერ გეიზერების სახით (ჰიდროთერმული ენერგია). პეტროენერგიის ზედაპირზე ამოსატანად ბურღავენ ორ ღრმა ჭაბურღილს, ამათგან ერთში მაღალი წნევით ჩატუმბავენ ­წყალს, ხოლო მეორიდან ზედაპირზე ამოსული გადახურებული ორთქლის თბურ ენერგიას გარდაქმნიან ელექტროენერგიად ჩვეულებრივი ორთქლტურბინული ციკლის განხორციელების გზით. მსოფლიოს მრავალ ქვეყანაში, მ. შ. საქართვე­ლო­ში, ზედაპირზე ამოსული ცხელი წყლის ენერგია უშუალოდ გამოიყენება შენობა-ნაგებობების გასათბობად, სოფლის მეურნეობაში, სამკურნალო მიზნებით, წარმოებაში და სხვა. პირველი გეოესი სიმძლავრით 7.5 მეგვტ ააგეს იტა­ლიაში 1916 წელს. ამჟამად გეოესები მოქმედებს მსოფლიოს 30-მდე ქვეყანაში (2012 სრულმა სიმძლავრემ მიაღწია 15 000 მეგვტ). მძლავრი გეოესები აგებულია ასევე აშშ-ში (კომპლექსი „გეიზერები“ კალიფორნიაში, სიმძლავრე 1500 მეგვტ), ფილიპინებზე. ისლანდიაში ელექტროენერგიის 30 %-მდე გამომუშავებულია გეოესებზე. თერმული წყლების დიდი მარაგია ჩრდილოეთ კავკასიაში და ამიერკავკასიაში. ჰიდროთერმული ენერგიის ფართო გამოყენებას ზღუდავს შესაძლო ეკოლ. საფრთხეები: გრუნტის ლოკალური ჩაწოლა, სეისმური აქტივობის ლოკალური გაძლიერება, თერმულ წყლებში ტოქსიკური და რადიოაქტიური მინარევებისა და მარილების მაღალი შემცველობა. გეოესების მშენებლობისას პირველადი კაპიტალდაბანდებები აღემატება თესების მშენებლობის ღირებულებას.

მზის (ჰელიო) ელექტროსადგურები იყენებს მზის გამოსხივების ენერგიას. ასეთ სადგურებზე მზის გამოსხივება სპეციალური ამრეკლავების – ჰელიოსტატების – სისტემის საშუალებით კონცენტრირდება წყლიან რეზერვუარზე, რომელიც ამ გამოსხივების ­შთანთქმის შედეგად ცხელდება 700°-მდე. წარმოქმნილი ორთქლის თბურ ენერგიას იყე­ნე­ბენ ისევე, როგორც სხვა თეს-ებში. ჰელიოსტატი წარმოადგენს რამდენიმე მ² ფართობის მქონე სარკეს. სპეციალური მოწყობილობა მართავს სარკის ორიენტაციას სივრცეში ისე, რომ ცაზე მზის ნებისმიერი მდებარეობისას ჰელიოსტატიდან არეკლილი გამოსხივება ეცემოდეს შთამნთქმელ რეზერვუარს. ჰელიოსტატების სამართავად იხარჯება ჰელიოესის მიერ გამომუშავებული ენერგიის მნიშვ­ნე­ლო­ვა­ნი ნაწილი. მსოფლიოში უმძლავრესი ჰელიოესების სიმძლავრე 200 მეგვტ აჭარბებს. ჰელიოესების ფართო გამოყენების ეკოლოგიური შეზღუდვები დაკავშირებულია ამრეკლავებითა და გამოსხივების ­კონცენტრატორებით მიწის დიდი ფართობების დაფარვის აუცილებლობასთან (პირდაპირი ეკოლოგიური შეზღუდვები), ასევე ამრეკლავების დასამზადებლად საჭირო მასალების მოპოვების ეტაპზე გარემოსათვის მიყენებულ ზიანთან (არაპირდაპირი ეკოლოგიური შეზღუდვები).

სადგურები მაგნიტოჰიდროდინამიკური გენერატორებით (მჰდგ) თბურ ენერგიას უშუალოდ ელექტროენერგიად გარდაქმნის. ასეთი სადგურების მუშაობის პრინციპი იმაში მდგომარეობს, რომ ე. წ. დაბალტემპერატურული პლაზმა (ცხელი იონიზებული აირი) დიდი სიჩქარით გადაკვეთს მაგნიტურ ველს და გენერატორში აღიგზნება მუდმივი ელექტრომამოძრავებელი ძალა (ემძ), რომელიც შემდეგ ცვლად ემძ-დ გარდაიქმნება. მჰდგ-ის მუშაობის ბოლო ეტაპზე, გაცივებული აირების სითბოს გამოყენების მიზნით, ჩვეულებრივ ორთქლ- ან აირტურბინულ დანადგარს იყე­ნებენ. ასეთ სადგურების მქკ მაღალია (50-60%), რის გამოც მათ დიდი პერსპექტივა აქვთ.

დიზელ-ელექტროსადგურების თმდ-ია დიზელის ძრავა, რომელიც აბრუნებს გენერატორს. ასეთი ელექტროსადგურები ელექტროენერგიით ამარაგებს ელექტროგადაცემის ხაზებიდან დაშორებულ რაიონებს.

საავტომობილო ­ტრანსპორტზე თმდ-ებად იყე­ნე­ბენ შიგაწვის ძრა­ვას, წყლის ტრანსპორტზე – ორთქლ და აირტურბინულ დანადგარებს, ხოლო ავიაციაში – შიგაწვის ძრავას (საჰაერო ხრახნის საბრუნებლად), ტურბოხრახნულ ძრავას და რეაქტიულ ძრავას. სპეციალურ დანიშნულების მცირე ენერგეტიკულ დანადგარებში (მაგალითად, ელექტროენერგიის ­წყა­რო­ებ­ში ავტონომიურ კოსმოსურ მოწყო­ბილობებზე) იყენე­ბენ სითბური ენერგიის უშუალოდ ელექტროენერ­გიად გარდამქმნელ თერმოელექტრულ და თერმოემისიურ გენე­რატორებს, მათ შორის – რადიოაქტიურ იზოტოპებზე მომუშავეს, რომლებმაც მაღალი ღირებულებისა და დაბალი მქკ-ის (რამდენიმე პროცენტი) გამო ვერ პოვა ფართო გავრცელება.

თბოენერგეტიკის ყველა მიმართულებისათვის საერთო ეკოლოგიური შეზღუდვები დაკავშირებულია, პირველ რიგში, გარემოს სითბური დაბინძურების პრობლემასთან, რაც განპირობებულია თმდ-ებში მაცივრის გამოყენების აუცილებლობით. მეორე სერიოზული ეკოლოგიური საფრთხეა სათბურის აირების (₂, წყლის ორთქლი ₂ და სხვ.) ატმოსფეროში ამოფრქვევა როგორც საწვავის წვის ეტაპზე, ასევე მაცივრისათვის ნარჩენი სითბოს გადაცემის ეტაპზე. მესამე საფრთხე – ტოქსიკური, მათ შორის რადიოაქტიური ნივთიერებების წარმოქმნა ან ზედაპირზე ამოტანა და ამ ნივთიერებების გაუვნებელყოფისა და უსაფრთხოდ დამარხვის აუცილებლობა. მეოთხე საფრთხე – ავარიების შესაძლებლობა და გარემოსათვის ამის შედეგად მიყენებული ზიანის მასშტაბები.

თბოენერგეტიკა საქართველოში
საქართველოში თბოენერგეტიკის საფუძველს თესები წარმოადგენს. თბოენერგეტიკის განვითარება იწყება საუკუნის დასასრულს. 1887 წელს ქართული დრამატული თეატრის გასანათებლად თბილისში პირველად დააყენეს თბური ძრავები ელექტროენერგიის გამოსამუშავებლად. ამ საქმის ინიციატორი და სულისჩამდგმელი იყო ი. ჭავჭავაძე. 1913 წლის ბოლოსთვის სა­ქარ­თვე­ლო­ში მოქმედებდა რამდენიმე ათეული თბოძრავიანი ელექტროსადგური, რომელთა ჯამური სიმძლავრე შეადგენდა 9 მეგვტ, ხოლო წლიური გამომუშავება – თითქმის 216 მეგვტ⋅სთ. 1938 წელს ჩაირთო ტყვარჩელის თესის პირველი აგრეგატები და თბილისის თესი. 1939 წელს მწყობრში ჩადგა თბილისის თეცი, ხოლო 1946 წელს – რუსთავის თეცი. 1963 წელს ამოქმედდა თბილსრესის პირველი ბლოკი (150 მეგვტ, ამჟამად დემონტაჟებულია). 1972 წელს, მერვე ბლოკის გაშვების შემდეგ, თბილსრესის ჯამურმა სიმძლავრემ 1250 მეგვტ მიაღწია. 1974 წელს დამონტაჟდა თბური ტუმბო სამტრედიის ჩაის ფაბრიკაში (ვ. გომელაური, ო. ვეზირი­შვი­ლი). 2006 წელს ექსპლუატაციაში შევიდა გარდაბნის აირტურბინული ელექტროსადგური (110 მეგვტ), რომელიც 2010 წლის ბოლოს შეიძინა კომპანია „ჯი ფაუერმა”. დაგეგმილია ნახშირზე მომუშავე თესების აშენება გარდაბანში (ტყი­ბულის ქვანახშირზე, 160 მეგვტ) და ახალციხეში (ახალციხის მურა ნახშირზე, 200 მეგვტ-მდე).

ექსპერტთა შეფასებებით, სა­ქართვე­ლოს ესაჭიროება 1700-2000 მეგვტ თბური სიმძლავრე. სა­­ქართველოს ტერიტორიაზე მნიშვ­ნე­ლოვა­ნი ოდენობით მოიპოვება ორგანული საწვავი (ქვანახშირი, ტორფი, ნავთობი, თანამდევი ბუნებრივი აირი), თერმული წყლები, კარგი პერსპექტივები აქვს მზის ენერგიისა და ბიომასის ენერგიის, კერძოდ, ბიოგაზის გამოყენებას. სა­ქარ­თვე­ლო­ში ცნობილია თერმუ­ლი წყლების რამდენიმე ასეული გამოსავალი, რომელთა საპროგ­ნოზო დებეტი, შეფასებებით, წლიურად პირობითი საწვავის 1.5-2 მლნ. ტონის ეკვივალენტურია. თერმული წყლების ენერგია გამოიყენებოდა კომუნალურ მეურნეობაში (თბილისი, ზუგდიდი, საბერიო, რეჩხი, კინდღა), სასათბურე მეურნეობებში, ჩაის მრეწველობაში, სამკურნ. მიზნებით (თბილისი, სამტრედია, მენჯი, უჯარმა, ყვარელი) და სხვ. ამასთან, ჰიდროთერმული ენერგიის გამოყენება სა­ქარ­თვე­ლო­ში ხასიათდება დაბალი ეფექტურობით (30-35 %) და გარემოსთვის მიყენებული ეკოლოგიური ზიანის მაღალი დონით (ქიმიურად აქტიური და მაღალი კონცენტრაციის მინარევების შემცველი თერმული წყლის მიწის ზედაპირზე დაღვრა იწვევს გარემოს თბურ და ქიმიურ დაბინძურებას).

სა­ქარ­თვე­ლო­ში 250 დღე წელიწადში მზიანია, რაც მზის ენერგიის გამოყენების კარგ პირობას წარმოადგენს. 1980 წლიდან „საქჰელიოსპეცტექმონტაჟი” ახორციელებს მზის თბომომარაგების სისტემების დამზადების, მონტაჟისა და გამართვის სამუშაოებს. მუშავდება მზის ენერგიის აკუმულირების მეთოდები, კერძოდ, წყალბადის მიღების გზით, ასევე, თერმოელექტრული და თერმოემისიური გენერატორები. დამუშავებულია „მზის სოფლის“ აშენების პროექტი (ასპინძა).

თბოენერგეტიკის თეორიულ და პრაქტიკულ პრობლემებზე მუშაობა მიმდინარეობს სტუ-ში, სტუ-ის ფ. თავაძის მეტალურგიის ინსტიტუტში, გ. წულუკიძის სამთო ინსტიტუტში. თბოენერგეტიკის განვითარებაში დიდი წვლი­ლი აქვთ შე­ტანი­ლი ი. გვერდწითელს (სსრკ სახელმწ. პრემია, 1974, სხვებთან ერთად, ბირთვული ენერგეტიკა), ბ. ბუკიას, ლ. გვარჯალაძეს, ვ. გომელაურს, ვ. დევიძეს, ლ. კობახიძეს, ა. კოტიას, ა. ტერ-ხაჩატუროვს, უ. ცქვიტინიძეს, დ. ჩხე­იძეს და სხვ. მზის ენერგეტიკის თანამედროვე პრობლემები მუშავდება ნ. კეკელიძის, ნ. მელაძის, რ. ჩიქოვანის ხელმძღვანელობით. ექსპლუატაციიდან გამოყვანილი ბირთვული რეაქტორების დაკონსერვების სქემას, რომელიც დამუშავდა და გამოყენებულ იქნა მცხეთის კვლევით ბირთვულ რეაქტორზე (შ. აბრამიძე, ნ. ქათამაძე), ატომური ენერგიის საერთაშორისო სააგენტომ რეკომენდაცია გაუწია, როგორც სანიმუშოს.