Энергия энергии рознь. Тепло, по своей сути, является менее полезным видом энергии, чем электричество, и процесс его преобразования смещен в одну сторону. Причина, как ни странно, кроется в термодинамике.
Электроэнергия может быть напрямую преобразована в тепло путем пропускания энергичных электронов через сопротивление. Это преобразование фактически равно 1:1. Электроны сталкиваются с атомами, атомы начинают колебаться.
Колебание — это и есть тепло, просто и ясно. Это самый беспорядочный тип энергии из всех существующих. Это буквально простое движение/вибрация атомов и молекул во всех направлениях, поэтому преобразование упорядоченной энергии в неупорядоченную происходит очень просто и крайне эффективно. Чего нельзя сказать об обратном процессе.
Чтобы немного всё это представить, возьмите стеклянную банку, наполненную красными и черными шариками, и просто ее потрясите. Сколько различных комбинаций вы получите? Миллионы? Миллиарды? Но только в некоторых случаях шарики будут упорядочены: красный поверх черного, черный поверх красного, чередующиеся слои и т. д. Статистически, у вас в миллионы раз больше шансов получить случайное беспорядочное состояние, чем что-то организованное и упорядоченное.
Шансы получить что-то упорядоченное настолько малы, что вы можете смело предположить, что беспорядок в банке будет только увеличиваться с каждым встряхиванием. Это называется «энтропией». Это очень важное понятие в физике. Это один из неизбежных фактов о Вселенной: достоверно известно, что энтропия внутри замкнутой системы всегда увеличивается со временем.
Энергия похожа на банку с шариками. Вы можете сделать ее беспорядочной довольно легко, но чтобы ее упорядочить, потребуются некоторые хитрые уловки. Правило об энтропии не обойдешь... общий беспорядок в системе всегда увеличивается с течением времени. Фактически, единственный способ уменьшить беспорядок в одном месте — это увеличить его в другом! Таким образом, чтобы произвести высокоупорядоченную энергию, вы должны фактически увеличить беспорядок в другом месте на такую же величину.
Это означает, что способ, которым мы превращаем тепло в электричество, не может быть преобразован в соотношении 1:1. Это увеличило бы порядок без каких-либо потерь, а Вселенная такого не допускает.
Итак, если мы не можем преобразовать тепло в электричество напрямую, как нам это сделать? Используя тепловой поток. Энтропия увеличивается, когда тепло течет от горячего тела к холодному. Горячее + холодное — более упорядоченное состояние, чем теплое + теплое, точно так же, как шарики более упорядочены, когда они красные над черным, чем когда они смешаны. Когда тепло пытается выровняться, энтропия увеличивается. Мы можем это использовать.
Так же, как вода течет вниз, тепло всегда течет от горячего к холодному. И так же, как водяное колесо извлекает энергию из падающей воды, мы можем извлекать энергию из текущего тепла. Каждая тепловая электростанция в мире (а это очень много электростанций) имеет источник тепла и радиатор, с целым рядом оборудования между ними. Это оборудование извлекает высокоупорядоченную энергию из естественного желания тепла перейти к чему-то более холодному.
Поскольку мы используем тепловой поток, это тепло должно фактически достичь своего места назначения. Вы не можете заставить тепло исчезнуть, и вместо него появиться электричеству — это увеличило бы порядок без соответствующего уменьшения. Вот почему электричество никогда не может быть произведено с эффективностью 100%.
Продолжая аналогию с водяным колесом, рассмотрим движущую «силу» потока. В случае с водой высота падения определяет, какое количество энергии можно извлечь. В случае с тепловой электрогенерацией важна разница температур между источником тепла и холодным стоком. Большая разница температур означает большую движущую силу для теплового потока, что, в свою очередь, означает, что мы можем извлечь больше полезной энергии. Это в конечном итоге определяет эффективность того, сколько неупорядоченной энергии нам нужно, чтобы произвести некоторую упорядоченную энергию.
Для электростанции разница между источником тепла (горящий уголь, газ или что-то еще) и холодным поглотителем (река, вода, что угодно) довольно велика, многие сотни градусов. Электростанции могут достигать эффективности около 30-40%. Для большинства источников «отходящего тепла» разница температур с холодным поглотителем довольно мала, иногда всего несколько десятков градусов. 1/10 разницы температур означает около 1/10 эффективности. В результате системы рекуперации отходящего тепла имеют такую низкую эффективность, что обычно не отбивают тех денег, которые на них были затрачены.
Надеюсь понятно объяснил.
