Из чего состоит энергетика

Тенденции развития
современной энергетики

ЛИСТ ДЛЯ ЗАМЕЧАНИЙ

1 СТРУКТУРА
СОВРЕМЕННОЙ ЭНЕРГЕТИКИ 5

1.4 Альтернативные
источники энергии 6

2 ПРОБЛЕМЫ
И ПЕРСПЕКТИВЫ АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ 9

2.2 Ветровая
энергетика 10

2.3 Геотермальная
энергетика 10

2.4 Энергия Мирового
океана 11

2.5 Энергия
водорода 12

3 МЕСТО РОССИИ В
МИРОВОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ. ПРОБЛЕМЫ И
ПЕРСПЕКТИВЫ 13

СПИСОК
ИСТОЧНИКОВ 17

Значительная часть
человечества стремится к энергоемкому
образу жизни – иметь собственный
автомобиль, множество бытовой
электротехники, эффективное отопление,
и т.д. Особенно отличаются в этом отношении
страны Запада, которые потребляют
гораздо больше энергии, чем развивающиеся
– главным образом сжигая ископаемое
топливо, потребление которого увеличивается
пугающими темпами.

Использование
ископаемого топлива загрязняет воздух,
увеличивая в нем процент углекислого
газа, что ведет к «парниковому эффекту».
Еще более тревожно, что запасы ископаемого
топлива конечны и, даже, если не увеличивать
потребление разведанных запасов, нефти
хватит лишь до 2039 года, а природного
газа до 2061г. Таким образом современная
цивилизация оказывается перед угрозой
гибели.

Возобновляемые
источники энергии тоже не небезупречны:
плотины и водохранилища ГЭС губят
экосистемы рек, изменяют режим повехностных
и подземных вод, приводят к потере части
плодородных земель и лесных ресурсов.

Энергетическое
производство включает три основные
фазы: производство энергии, ее распределение
и потребление. Производство энергии
осуществляется электрическими станциями;
распределение (транспорт) энергии
осуществляют энергетические сети. В
целом процесс энергоснабжения
осуществляется энергетическими
системами, объединяющийся в единый
производственно — транспортный комплекс
электростанции и сети.

Фаза энергопотребления
осуществляется энергопотребляющими
установками потребителей, включающими
приемные установки (понизительные
подстанции), местные распределительные
сети и энергоприемники (токоприемники),
преобразующие электрическую энергию
в те виды энергии, которые необходимы
для осуществления технологических
процессов промышленного производства
или других целей.

Электроэнергия
производится на электростанциях разных
ти­пов: тепловых (ТЭС), гидравлических
(ГЭС), атомных (АЭС), а также на установках,
использующих так называемые нетрадици­онные
возобновляемые источники энергии
(НВИЭ).

Основным типом
электростанций являются тепловые, на
которых исполь­зуется органическое
топливо: уголь, газ, мазут. В структуре
генерирующих мощностей доля ТЭС
составляет 65 %, АЭС – 15 %, ГЭС – 20 %.

Среди НВИЭ наибольшее
распространение в мире получили
солнечные, ве­тровые, геотермальные
электростанции, установки, работаю­щие
на биомассе и твердых бытовых отходах.

Тепловые
электростанции оборудуются паротурбинными
энергоблоками различных мощностей и
параметров пара, а так­же газотурбинными
(ГТУ) и парогазовыми (ПГУ) установками.
Последние могут работать и на твердом
топливе (например, с внутрицикловой
газификацией).

Основу производственного
потенциала электроэнергетики России
составляют электростанции общего
пользования; на них приходится более
90% генерирующих мощностей. Остальная
часть – ведомственные электростанции
и децентрализованные энергоисточники.

В структуре
мощностей электростанций общего
пользова­ния лидируют паротурбинные
ТЭС.

Тепловые
электростанции (ТЭС) используют в
качестве электрических ресурсов
различные виды ископаемых (органических)
топлив (твердых, жидких и газообразных):
угли, торф, сланцы, нефть (мазут), природный
газ.

Основным оборудованием
ТЭС являются паровые котлы и паровые
турбоагрегаты (паровые турбины, связанные
общим валом с электрическими генераторами),
работающие раздельно или соединенные
в энергетические блоки (котел –
турбоагрегат).

Тепловые
элек­тростанции включают конденсационные
(КЭС), генерирующие только электроэнергию,
и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), на ко­торых
осуществляется комбинированная выработка
электро­энергии и тепла. Электрическая
энергия вырабатывается на ТЭЦ
турбоагрегатами при работе турбин по
теплофикационному циклу. Тепловая
энергия отпускается в отработавшем
паре, поступающем из промежуточных
отборов или конечного (противодавленческого)
отбора турбин.

В топливном балансе
ТЭС определяющую роль играет природный
газ. Его доля составляет более 60% и
превышает долю угля более чем в 2 раза.
Участие нефтетоплива незначительное
(менее 5%).

Тепловые
электростанции в зависимости от
начального давления пара (перед
турбогенераторами) делятся на:

– ТЭС низкого
давления (13–25 ата). Практически не
применяются, хотя в связи с тенденциями
к созданию на предприятиях собственных
маломощных источников энергии могут
возникнуть вновь;

– ТЭС среднего
давления (25–45 ата). Считаются
устаревшими, но кое–где еще сохранились.
Как правило, на этих станциях проводилась
реконструкция;

– ТЭС высокого
давления (90 ата);

– ТЭС сверхвысокого
давления (130–240 ата).

Все эти тенденции
к росту начального давления пара вызваны
стремлением к повышению экономичности.
Согласно IIзакону
термодинамики, внутренний относительный
КПД теплового цикла зависит от соотношения
начального и конечного теплосодержания
рабочего тела, в данном случае – водяного
пара. Поэтому чем выше начальное давление
и глубже вакуум в конденсаторе паровой
турбины, тем выше КПД производства
энергии. (Однако даже теоретически он
не может быть выше 44-45 %.)

Теплоэлектроцентрали
(ТЭЦ) делятся по типам установленных
на них турбоагрегатов на:

– противодавленческие
(типа Р), пройдя которые пар подается
потребителям тепловой энергии;

– противодавленческие
турбины с регулируемым производственным
отбором (типа ПР);

– турбины с
регулируемыми отборами пара и конденсацией,
в том числе с одним производственным
отбором пара давлением 5–13 ата (0,12–0,25
Мпа) (типа П);

с одним теплофикационным
отбором пара давлением 1,2–2,5 ата
(0,12–0,25 МПа) – (типа Т);

с двумя отборами
– производственным и теплофикационным
(типа ПТ).

Атомные
электростанции (АЭС)являются тепловыми,
но в отличие от топливных ТЭС используют
в качестве первичного ресурса не
органическое топливо, а атомную энергию
природного или обогащенного урана.

Основным оборудованием
АЭС являются атомные реакторы, котлы и
паровые турбоагрегаты.

Гидроэлектростанции
(ГЭС) используют для выработки
электроэнергии гидроэнергетические
ресурсы, которые в отличие от топливных,
являются возобновляемыми. Энергетической
базой ГЭС является водохранилище,
создаваемое сооружением подпорной
плотины в заданном створе водотока
(реки).

Основным оборудованием
ГЭС являются гидроагрегаты (гидравлические
турбины, связанные с общим валом, обычно
вертикальным) с электрическим генератором.

Различают следующие
виды гидроэлектростанция:

– по напору –
высоконапорные (горные) и низконапорные
(равнинные);

– по зарегулированности
водотока – с суточным, сезонным, годовым,
многолетним регулированием;

– по мощности и
т. д.

В соответствии с
Энергетической стратегией страны до
2020 г. в
структуре генерирующих мощностей
предполагает­ся увеличить долю АЭС
(примерно в 1,5 раза по сравнению с 2000
г.), а также снизить долю природного газа
в топливном балансе ТЭС, соответственно
существенно повысив использо­вание
угля.

Энергетической
стратегией опреде­лено, что
конкурентоспособность угольных ТЭС по
сравнению с га­зовыми достигается
при цене газа в 1,6-2 раза выше, чем цена
угля (в расчете на 1 т условного топлива).
Такие ценовые пропорции обеспе­чат
предусматриваемое энергетической
стратегией России снижение доли газа
и увеличение доли угля в структуре
потребляемого ТЭС топлива.

Концепцией
технической политики определено, что
при новом строительстве, техническом
перевооружении и реконструкции ТЭС,
использующих природный газ, следует
применять только парогазовые и
газотурбинные технологии. Использование
паросиловых технологий для этих целей
исключается.

Электростанции
объединены электрическими сетями
разно­го уровня напряжения на
параллельную работу в районные
электроэнергетические системы, которые
в свою очередь образуют объеди­ненные
энергосистемы (ОЭС). Электрические
связи между ОЭС формируют единую
энергосистему страны (ЕЭС).

Аппаратом
распределения (транспорта) энергии в
энергетической системе являются
электрические и тепловые сети.

Основными
технологическими элементами электросетевого
комплекса слу­жат линии электропередачи
(воздушные и кабельные) и транс­форматорные
подстанции с соответствующим
вспомогательным оборудованием. Различают
магистральные
и распределительные
электрические
сети; последние доводят электрическую
энергию от узлов нагрузки до абонентских
установок потре­бителей. Линии
электропередачи напряжением 0,4–1150 кВ
имеют общую протяженность порядка 3
млн. км, в том чис­ле магистральные
электросети напряжением 220–1150 кВ –
157 тыс. км.

Обслуживанием ЛЭП
и подстанций занимается предприятия
электрических сетей (ПЭС). В ведении
этих предприятий находятся также
трансформаторные подстанции (ТП) и
распределительные устройства (РП). Они
трансформируют электроэнергию с высокого
(110, 35, 6–10 кВ) на низкое, потребительское,
напряжением 220–380 В и распределяют ее
в районах и микрорайонах города для
жилых и общественных зданий.

Для обеспечения
надежного энергоснабжения и качества
электроэнергии в соответствии с
требованиями технических регламентов
в масштабе всей ЕЭС создана система
опера­тивно-диспетчерского
управления (ОДУ).
Она построена по иерархическому принципу;
ее верхний уровень представлен
организацией – системным оператором
(СО) ЕЭС России, ко­торому подчинены
органы ОДУ объединенных и районных
энергосистем. Свои функции органы ОДУ
осуществляют через централизованное
управление технологическими режимами
работы объектов электроэнергетики и
электропотребляющих установок
потребителей.

Как указано в
Федеральном законе об электроэнергетике
(ст. 5), «технологическую
основу функционирования электро­энергетики
составляют единая национальная
(общероссий­ская) электрическая сеть,
территориальные распределитель­ные
сети, по которым осуществляется передача
электрической энергии, и единая система
оперативно-диспетчерского управ­ления».

В хозяйственном
отношении основные производственные
объекты электроэнергетики объединены
в составе компаний энергохолдинга «РАО
ЕЭС», независимых акционерных
энерго­компаний, промышленных
предприятий, а также предприятий
коммунальной энергетики (в двух последних
случаях – неболь­шие ТЭЦ). Таким
образом, имеют место разная ведомственная
(балансовая) принадлежность и различные
формы собственно­сти на активы
предприятий электроэнергетики.

К объектам
теплоэнергетики относятся теплоисточники
(паровые и водогрейные котельные), а
также тепловые сети (магистральные и
распределительные) с трубопроводами,
насо­сными станциями и тепловыми
пунктами

Тепловые сети
осуществляют передачу и распределение
тепловой энергии. Они делятся по виду
теплоносителя на водяные и паровые.
Задачей тепловых сетей является
распределение тепловой энергии внутри
отдельных районов теплоснабжения.

Предприятия
тепловых сетей (ПТС) эксплуатируют
магистральные и распределительные
паро- и теплопроводы в городах и населенных
пунктах.

Котельные имеют
разную ведомственную принадлежность
(муниципальные, промышленные и др.).
Среди них выделяют­ся централизованные
теплоисточники,
обслуживающие целый район теплоснабжения
или группу разных потребителей, и
де­централизованные,
прикрепленные
к конкретным абонентам. В частности, к
децентрализованным причисляют котельные
мощностью до 20 Гкал/ч; в целом с учетом
ТЭЦ в России цен­трализованно
вырабатывается около 70 % тепловой
энергии. Но дальность передачи тепла,
в отличие от электроэнергии, ограни­чена
по технико-экономическим соображениям:

для пара всего до
1,5–2 км, для горячей воды – до 20–30 км.

Главными функциями
теплоэнергетики в обществе являются:

• надежное и
бесперебойное обеспечение потребителей
не­обходимыми им теплоносителями с
требуемыми объем­ными и качественными
параметрами;

• поддержание
теплового комфорта в жилых и обществен­ных
зданиях (в строгом соответствии с
температурами на­ружного воздуха).

Данные функции
должны реализовываться на основе
вне­дрения экономически и экологически
оптимальных схем тепло­снабжения
городов и сельских районов страны.

Тепловая энергия
в виде пара и горячей воды широко
при­меняется в различных отраслях
народного хозяйства для технологических
нужд, отопления, вентиляции и горячего
водоснабжения. Следует подчеркнуть,
что электроэнергия и теплоэнергия –
взаимозаменяемые и конкурирующие
энергоноси­тели. Особенно это касается
силовых и среднетемпературных процессов,
где в качестве энергоносителя может
использоваться как пар различных
параметров, так и электричество. При
благо­приятных экономических
предпосылках электроэнергия может
заменять горячую воду в низкотемпературных
процессах, обеспечивая более качественное
регулирование параметров и по­требительский
комфорт.

Современная цивилизация существует в основном благодаря использованию огромного, по сравнению с более ранними временами, количества энергии в разнообразных машинах в широком смысле этого слова. Более того, потребление энергии человечества постоянно растёт. При этом энергия в годной к употреблению форме является ограниченным ресурсом, так что относительная доступность энергии оказывает серьёзное влияние на развитие как отдельных стран, так и цивилизации в целом.

Существует несколько организаций, ведущих регулярный статистический учёт производства и потребления энергии. В данной статье, в частности, используются данные Международного энергетического агентства (IEA). Выводы и прогнозы различных организаций часто цитируются, но при этом редко поясняется, каким образом и на каких принципах они строятся, что открывает простор для неверных интерпретаций. В данной статье мы постараемся исправить это упущение.

Первичная энергия

При учёте энергии возникает одна сложность — до потребления энергии в её конечной форме она проходит через цепочку преобразований, иногда довольно длинную. Электрочайник кипятит воду — происходит потребление энергии в форме тепла, преобразованной из энергии в форме электричества в сети. В свою очередь в эту форму энергия была преобразована из механической формы — энергии вращения турбин на электростанции, а та была получена из тепловой энергии пара, полученной путём сжигания какого-то топлива, то есть из потенциальной химической энергии. В таком, казалось бы, простом деле оказалось сразу пять этапов преобразования энергии; причём на каждом этапе часть энергии, конечно же, теряется, так что потребление энергии в конечной форме всегда существенно меньше, чем её производство. На каком этапе вести учёт?

В связи с описанной сложностью, в энергетической статистике фиксируется производство и потребление энергии по возможности ближе к началу цепочки, в форме так называемой первичной энергии. Отслеживается только два вида преобразования первичной энергии: электрогенерация, то есть производство электрической энергии, и теплогенерация, то есть производство тепловой энергии (без последующего преобразования в какую-либо другую форму). Дальнейшие преобразования энергии в статистике не учитываются.

Более подробно поясним понятие первичной энергии чуть позже, а пока перечислим виды источников первичной энергии:

Невозобновляемые, в том числе:

В нашем списке можно увидеть разделение источников на возобновляемые и невозобновляемые. Под возобновляемостью источника подразумевается его потенциальная неисчерпаемость в масштабах человеческой деятельности. Конечно, это разделение во многом условно. Так, например, ископаемое топливо на самом деле в недрах Земли формируется (то есть возобновляется) постоянно, просто делает оно это по меркам наших энергетических нужд настолько медленно, что пытаться его использовать возобновляемым способом совершенно бессмысленно. Более важный пример — это биотопливо, которое включает в себя такую банальную вещь как дрова. Источником дров, как известно, является лес, и его люди на самом деле легко могут исчерпать, так что возобновляемым он является только до определённой границы. Тем не менее, разделение это важное и часто используемое.

Для ископаемого и биологического топлива количество первичной энергии определяется очень просто: это удельная теплота сгорания, умноженная на массу топлива. Удельная теплота сгорания ископаемого топлива зависит от содержания в нём водорода: для метана, в котором на один атом углерода приходится четыре атома водорода, она равна 50 МДж/кг; для угля, в котором на один атом углерода приходится примерно ноль атомов водорода — около 30 МДж/кг; для нефти — примерно посередине. Понятно, что на практике теплота сгорания для разных сортов одного и того же топлива может быть несколько разной, и в статистике это, по возможности, учитывается.

Все остальные, нетопливные, источники энергии используются практически только для электро- и теплогенерации. Первичная энергия для них немного по-разному. В тех случаях, когда электричество вырабатывается из тепловой энергии, то именно она считается за первичную. Так происходит в атомной энергетике, а также на геотермальных и гелиотермальных электростанциях. Если же электричество генерируется напрямую из природного источника, то первичной считается собственно сама произведённая электроэнергия. Так происходит в гидро- и ветроэнергетике, а также фотовольтаике (вид солнечной энергетики).

Для измерения первичной энергии используются различные единицы. Мы будем использовать так называемую тонну нефтяного эквивалента (тнэ), равную 41,868 ГДж. Предполагается, что такое количество тепловой энергии выделяется при сгорании одной среднестатистической тонны нефти. Тысяча кубических метров природного газа содержит в среднем около 0,8 тнэ. Также одна тонна нефтяного эквивалента равна 11 630 киловатт-часов. Если вы знаете, сколько киловатт-часов у вас дома набегает за месяц по электрическому счётчику, то вы сможете представить себе, какое количество энергии содержит 1 тнэ.

Тепло- и электрогенерация

Примерно 40% первичной энергии сегодня используется в ходе тепло- и электрогенерации. Эти процессы рассматривают вместе по причине широкого применения в энергетике когенерации — совместного производства полезного тепла и электричества, например, на теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). ТЭЦ является разновидностью тепловой электростанции (ТЭС). ТЭЦ отличается тем, что на ней тепло отработанного пара передаётся в теплосеть, а на остальных ТЭС — в окружающую среду. За счёт этого коэффициент полезного действия (КПД) у ТЭЦ заметно выше и достигает 50-60%, по сравнению с 30-40% у обычных ТЭС. Но давайте рассмотрим по порядку имеющиеся сегодня в нашем распоряжении способы генерации электричества и тепла.

ТЭС существуют с конца 19 века и устроены довольно просто. За счёт сжигания топлива вода в котле превращается в пар с очень высокой температурой и давлением. Этот пар направляется на лопатки турбины и тем самым вращает её. Вращение передается на вал электрогенератора с закреплёнными на нём магнитами; вращающееся магнитное поле создаёт электрический ток в замкнутом проводнике в соответствии с законом электромагнитной индукции. Отработанный пар из турбины попадает в конденсатор, где охлаждается и превращается обратно в воду, которая затем снова поступает в котёл.

Выше описан принцип действия ТЭС с паротурбинной установкой. Существуют ещё и газотурбинные установки: в них турбину вращают непосредственно продукты сгорания топлива в виде потока раскалённых газов (таким образом, газовая турбина является двигателем внутреннего сгорания, а паровая — внешнего). Самый же высокий КПД достигается на комбинированной парогазовой установке, состоящей из двух двигателей в тандеме; в этой установке всё ещё горячие отработанные газы из газовой турбины используются для нагрева котла паровой турбины.

Вообще электрогенератору безразлично, что именно вращает его вал, так что комбинация любого теплового двигателя (в том числе поршневого) с электрогенератором составляет тепловую электростанцию того же типа, что и двигатель. Собственно говоря, принцип тот же и для большинства нетепловых электростанций: сначала с помощью какого-либо двигателя энергия из своей исходной формы преобразуется в механическую, а затем превращается в электрическую энергию с помощью электрогенератора.

Топливом для ТЭС служат уголь, природный газ и, гораздо реже, нефтепродукты (мазут или дизель). В газотурбинных и парогазовых ТЭС используется в основном природный газ; уголь используется практически только на ТЭС с паротурбинными установками. Существуют также ТЭС, работающие на биотопливе. Это могут быть отходы деревообработки или сельского хозяйства в виде прессованных гранул, а также биогаз — продукт жизнедеятельности бактерий, перерабатывающих различные биологические отходы, в том числе бытовые и канализационные.

На атомной электростанции (АЭС) в роли котла для создания пара высокого давления выступает ядерный реактор, использующий энергию распада ядер радиоактивных изотопов в ходе цепной реакции. Больше АЭС ничем принципиально не отличается от паротурбинной ТЭС — полученный пар поступает на турбину, и так далее. На АЭС также может быть реализована когенерация тепла и электричества, тогда получится атомная теплоэлектроцентраль — АТЭЦ. Ядерное топливо производится из урана, добываемого на соответствующих месторождениях с конечными запасами. Это означает, что атомная энергетика является невозобновляемым источником энергии.

Все остальные способы тепло- и электрогенерации используют возобновляемые источники энергии. Так, на гидроэлектростанции (ГЭС) вал электрогенератора вращает, как нетрудно догадаться, гидротурбина. В свою очередь последняя вращается за счёт энергии напора воды. Плотина на ГЭС нужна для того, чтобы создать необходимый перепад высот. Если уклон реки достаточно велик (как зачастую бывает в горах), то можно обойтись и без плотины.

На солнечных электростанциях, как правило, используется явление фотоэлектрического эффекта: частицы света (фотоны) определённой энергии (длины волны) могут выбивать электроны из атомов определённым образом организованного вещества (обычно полупроводниковые фотоэлементы, собранные в солнечные батареи). Такая технология называется ещё фотовольтаикой. Она выгодно отличается от других способов производства электроэнергии полным отсутствием движущихся деталей — энергия солнечного излучения напрямую преобразуется в электрическую, минуя стадию механической энергии.

Другая разновидность солнечной энергетики — это гелиотермальные электростанции, на которых энергия солнца собирается в виде тепла и используется опосредованно для электрогенерации по принципу обычных ТЭС. Для сбора солнечной энергии обычно применяются системы линз и зеркал — это так называемые солнечные электростанции концентрирующего типа (CSP).

Ветряные электростанции преобразуют в электричество механическую энергию вращения лопастей ветрогенератора под действием ветра. Ветрогенератор вполне ожидаемо состоит из ветротурбины и электрогенератора. Циркуляция атмосферы Земли, то есть ветер, существует в основном из-за неравномерного нагрева земной поверхности Солнцем. Следовательно, как и солнечная электростанция, ветрогенератор использует возобновляемую энергию Солнца.

Существуют также геотермальные электростанции, устроенные аналогично тепловым, но использующие для нагрева котла энергию горячих подземных вод. Тепло геотермальных источников можно использовать и напрямую для обогрева. Из-за того, что температура подземных вод сравнительно невелика, КПД геотермальных электростанций довольно низок — всего около 10%.

Наконец, приливные и волновые электростанции используют, соответственно, энергию морских приливов/отливов и волн. В совокупности эти способы получения электроэнергии можно назвать морской энергетикой.

В 2013 году всего в мире было сгенерировано и потреблено 23318 тераватт-часов (или 2008 млн тнэ) электроэнергии, а также 354 млн тнэ теплоэнергии; в сумме тепла и электричества получается 2362 млн тнэ. При этом было израсходовано 5115 млн тнэ первичной энергии в различных формах. Таким образом, средний КПД тепло- и электрогенерации (отношение произведённой энергии к первичной) составил 46%.

На рисунке 1 приведена диаграмма использования различных видов первичной энергии для тепло- и электрогенерации. Из диаграммы видно, что ископаемое топливо (то есть уголь, нефть и природный газ) составляет три четверти затрачиваемой в этих целях первичной энергии. Оставшаяся четверть приходится на атомную и возобновляемую энергетику.

Рисунок 1. Использование первичной энергии по источникам для тепло- и электрогенерации в 2013 году (всего 5115 млн тнэ).

Однако если посмотреть на диаграмму распределения по источникам собственно самой произведённой электроэнергии (рисунок 2), то картина будет заметно отличаться в силу того, что разные способы электрогенерации имеют разный КПД (в смысле отношения произведённой электроэнергии к первичной). Так, КПД фотовольтаики, а также гидро- и ветроэнергетики в рамках энергетической статистики считается равным 100%: как уже говорилось, под первичной энергией у этих источников понимается собственно полученная электроэнергия. Практически по всем остальным источникам — первичной энергией является тепло, которое преобразуется в электрическую энергию через механическую. Электрический КПД этого процесса зависит от типа используемого теплового двигателя и достигаемой температуры, и составляет в среднем около 30—40%. Кроме того, из этих источников производится также и полезное тепло, которое в данные рисунка 2 не включено.

Рисунок 2. Произведенная электроэнергия по источникам в 2013 году (всего 2008 млн тнэ или 23318 ТВт*ч).

В итоге на рисунке 2 доля гидроэнергетики выросла до 16%, а доля ветроэнергетики стала, по крайней мере, заметной — 3%. Доля солнечной энергетики всё ещё прячется среди 1% «прочих». Для нас, конечно, важнее именно то, какую долю произведённой электроэнергии нам даёт тот или иной источник, поэтому в диаграмме на рисунке 2 больше практического смысла, чем в диаграмме на рисунке 1. А несколько неочевидным понятием первичной энергии удобно пользоваться, если необходимо, например, занизить значение возобновляемых источников. Но это вовсе не означает, что понятие плохое и ненужное. Дело в том, что на тепло- и электрогенерацию тратится лишь около двух пятых используемой во всём мире первичной энергии; остальную мы расходуем другими способами.

Потребление первичной энергии

На рисунке 3 приведена схема мирового потребления энергии в 2013 году с выделением промежуточного этапа тепло- и электрогенерации. На схеме видно, что всего на все нужды за год было израсходовано 13559 млн тнэ первичной энергии. В том числе 5115 млн тнэ первичной энергии было израсходовано на тепло- и электрогенерацию, что дало в результате 2362 млн тнэ готовой к потреблению тепло- и электроэнергии, а 2753 млн тнэ энергии было потеряно в процессе генерации. В так называемом энергетическом секторе — на добычу и переработку энергоносителей, производство энергии, преобразование энергии из одного вида в другой, а также транспорт энергии в виде тепла и электричества — было израсходовано 1686 млн тнэ энергии, в том числе 1291 млн тнэ первичной энергии и 395 млн тнэ вторичной, то есть сгенерированного тепла и электричества. Оставшиеся 7153 млн тнэ первичной энергии было потреблено в различных секторах экономики другими способами; с учётом 1967 млн тнэ вторичной (сгенерированной) энергии общее конечное потребление энергии составило 9120 млн тнэ.

Рисунок 3. Схема мирового потребления энергии по источникам в 2013 году. Все значения в млн тнэ.

Пройдёмся более подробно по секторам потребления энергии в разрезе её источников.

Название сектора «промышленность» говорит само за себя. Энергия в этом секторе в основном потребляется в металлургической, химической и нефтехимической промышленности, а также при производстве строительных материалов (цемента) и целлюлозно-бумажном производстве. Однако потребление энергии при перевозке товаров, а также добыче и переработке ископаемого топлива сюда не входит. Кроме того, потребление энергоносителей относится к данному сектору только в том случае, когда они используются именно как энергоносители, а не как сырьё или исходный материал для производства.

Ископаемое топливо в промышленности используется в основном для нагрева, то есть когда технология производства требует высокой температуры. Известный всем пример — выплавка металлов. Нагрев необходим и при производстве цемента (барабанные печи), а также на определённых этапах химического и нефтехимического производства. Кроме того, использование нефтепродуктов в качестве топлива для строительной и другой специальной техники тоже отражается в данном секторе. Биоэнергетика в промышленном секторе — это, в основном, утилизация древесных отходов в лесозаготовительной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности.

Транспортный сектор включает в себя потребление энергии в дорожном, воздушном, водном, железнодорожном и трубопроводном транспорте. К этому сектору не относится потребление топлива техникой, основным назначением которой является не перевозка пассажиров и грузов, а другая деятельность, например, строительство, добыча полезных ископаемых, лесозаготовки, рыболовство и т. п. Около 40-50% энергии в данном секторе потребляется легковыми автомобилями.

В транспортном секторе ожидаемо более 90% энергии даёт нефть, то есть топливные нефтепродукты: бензин, дизельное топливо, керосин, мазут и пр. Большая часть оставшегося — это природный газ в различных формах. Применение биотоплива и электроэнергии на сегодняшний день едва заметно, несмотря на то, что, в частности, электровозы в железнодорожном и трамваи с троллейбусами в городском транспорте достаточно широко применяются уже много десятков лет.

В сектор с не вполне прозрачным названием «здания» включается энергия, потраченная в жилых и разного рода общественных (но не промышленных) зданиях в целях обогрева, охлаждения, горячего водоснабжения, освещения, а также для работы бытовых приборов и оборудования для приготовления пищи. Около 40-45% произведённой тепло- и электроэнергии расходуется именно в этом секторе, больше, чем в каком-либо другом. Сравнительно высокая доля природного газа объясняется, очевидно, применением кухонного газа. Также в данном секторе потребляется более 60% всей первичной биоэнергии. В основном это древесное и другое твёрдое биотопливо, очень широко используемое, в частности, в традиционных обществах так называемых развивающихся стран. Таким образом, на сегодняшний день под модным словом «биоэнергетика» скрываются, по большей части, дрова и сухой навоз.

Наконец, в сектор «прочее» входит потребление энергии в сельском хозяйстве и подобных ему отраслях (рыболовство, лесное хозяйство). В этом же секторе учитывается использование ископаемого топлива не для получения энергии, а в качестве сырья для производства смазочных материалов, асфальта, растворителей, продуктов химической и нефтехимической промышленности и т. д. В этом секторе расходуется в основном нефть, причём сюда приходится довольно значительная часть её общего потребления — около 16%.

Использование тепло- и электроэнергии во всех секторах достаточно прозрачно. Отметим лишь, что около 16% произведённой электроэнергии (331 млн тнэ) тратится в энергетическом секторе на добычу и переработку ископаемого и ядерного топлива, а также теряется при передаче по электрическим сетям. Аналогичные потери происходят и при передаче тепловой энергии по теплосетям. Данный расход энергии включён на схеме в так называемый «энергетический сектор».

В этом же «энергетическом секторе» учитываются затраты энергии на добычу и переработку ископаемого топлива, производство биотоплива, преобразование топлива из одной формы в другую (сжижение газа и угля, преобразование газа в жидкость, газификация угля и нефти), коксование угля, а также потери при транспортировке и хранении газа, нефти, угля и биотоплива.

Рисунок 4. Мировое потребление первичной энергии в 2013 году по источникам.

На рисунке 4 приведено распределение мирового потребления первичной энергии по источникам в соответствии со схемой на рисунке 3. Таким образом, в целом сегодня человечество получает более 80% первичной энергии из ископаемого топлива (то есть угля, нефти и природного газа), и более 85% — из невозобновляемых источников (то же, плюс атомная энергетика). На возобновляемые источники пока что приходится менее 15% первичной энергии. При этом следует помнить, что, с одной стороны, ряд возобновляемых источников (гидроэнергетика, ветроэнергетика, фотовольтаика) по определению имеют стопроцентный КПД, что резко увеличивает их значимость с точки зрения конечного потребления. А с другой стороны, биоэнергетика, составляющая две трети всех возобновляемых источников и 10% общего потребления первичной энергии, по большей части присуща неиндустриальным обществам; поэтому вряд ли стоит связывать её с инновационностью и продвинутостью, приписываемой прочим возобновляемым источникам энергии.

О том, какие существуют прогнозы в отношении мировой энергетики, расскажем в следующей части.

Энерговооруженность
общества – основа его научно-технического
прогресса, база развития производительных
сил. Развивающееся мировое хозяйство
требует постоянного наращивания
энерговооруженности производства. Она
должна быть надежна и с расчетом на
отдаленную перспективу. Энергетический
кризис 1973-1974 гг. в капиталистических
странах показал, что этого трудно пока
достичь, основываясь лишь на традиционных
источниках энергии.

Необходимо широко
внедрить альтернативные источники
энергии, а впоследствии полностью
перейти на данный вид энергоресурсов.
К альтернативным источникам относят:

1) Солнечную энергию
— наиболее
грандиозный, дешевый, но и, пожалуй,
наименее используемый человеком источник
энергии. Всего за три дня Солнце посылает
на Землю столько энергии, сколько её
содержится во всех разведанных запасах
ископаемых топлив, а за 1 сек. – 170 млрд.
Дж. Большую часть этой энергии рассеивает
или поглощает атмосфера, особенно
облака, и только треть её достигает
земной поверхности.

Но даже такая
«ничтожная» величина в 1600 раз больше
энергии, которую дают все остальные
источники, вместе взятые;

2) Энергию ветра,
которую человек использует с незапамятных
времен. Но его парусники, тысячелетиями
бороздившие просторы океанов, и ветряные
мельницы использовали лишь ничтожную
долю из тех 2,7 трлн. кВт энергии, которыми
обладают ветры, дующие на Земле. Полагают,
что технически возможно освоение 40
млрд. кВт.

Новейшие
исследования направлены преимущественно
на получение электрической энергии из
энергии ветра. Стремление освоить
производство ветроэнергетических машин
привело к появлению на свет множества
таких агрегатов. Некоторые из них
достигают десятков метров в высоту, и,
как полагают, со временем они могли бы
образовать настоящую электрическую
сеть. Малые ветроэлектрические агрегаты
предназначены для снабжения электроэнергией
отдельных домов;

3) Геотермальную
энергию, которая хранится в недрах земли
и представляется в извержениях вулканов
и термальных источников. Мощность
извержения даже сравнительно небольшого
вулкана колоссальна, она многократно
превышает мощность самых крупных
энергетических установок, созданных
руками человека.

Геотермальная
энергетика базируется на использовании
природной теплоты Земли. Недра Земли
таят в себе колоссальный, практически
неисчерпаемый источник энергии. Ежегодное
излучение внутреннего тепла на нашей
планете составляет 2,8 
1014 млрд.
кВт*час.
Оно постоянно компенсируется радиоактивным
распадом некоторых изотопов в земной
коре.

Источники
геотермальной энергии могут быть двух
типов:

Первый тип – это
подземные бассейны естественных
теплоносителей – горячей воды
(гидротермальные источники), или пара
(паротермальные источники), или пароводяной
смеси. По существу, это непосредственно
готовые к использованию «подземные
котлы», откуда воду или пар можно добыть
с помощью обычных буровых скважин.

Второй тип – это
тепло горячих горных пород. Закачивая
в такие горизонты воду, можно также
получить пар или перегретую воду для
дальнейшего использования в энергетических
целях;

4) Энергию мирового
океана. В океане, который составляет
72% поверхности планеты, потенциально
имеются различные виды энергии – энергия
волн и приливов; энергия химических
связей газов, солей и других минералов;
энергия течений, спокойно и нескончаемо
движущихся в различных частях океана;
энергия температурного градиента и
др., и их можно преобразовывать в
стандартные виды топлива. Такие количества
энергии, многообразие её форм гарантируют,
что в будущем человечество не будет
испытывать в ней недостатка;

5) Энергию водорода.
Использование
водорода в качестве основного
энергоносителя приведет к созданию
принципиально новой водородной экономики,
станет научно-техническим прорывом,
сравнимым по своим социально-экономическим
последствиям с тем революционным
воздействием на развитие цивилизации,
которое оказали электричество, двигатель
внутреннего сгорания, химия и нефтехимия,
информатика и связь.

Водородный топливный
элемент это – электрохимический источник
электрического тока, в котором
осуществляется прямое превращение
энергии топлива (водорода) и окислителя
(кислорода), непосредственно в электрическую
энергию. Без всяких процессов горения,
во-первых, малоэффективных, а во-вторых,
осуществляемых с большими потерями. По
мнению исследователей, энергетический
КПД водородной энергоустановки может
быть значительно выше, чем у традиционных,
и вполне может составлять до 90%.

1 Тепловая энергетика

Современная
энергетика мира основана на использовании
нефти, газа и угля. В наше время ТЭС дает
около 50% электроэнергии мира.

Принцип работы
ТЭС основан на последовательном
преобразовании химической энергии
топлива в тепловую и электрическую.
Основным оборудованием ТЭС является
котел, турбина и генератор. В котле при
сжигании топлива выделяется тепловая
энергия, которая преобразуется в энергию
водяного пара. В турбине водяной пар
превращается в механическую энергию
вращения, а генератор превращает ее в
электрическую.

Электроэнергетические системы и их структура

Цель
лекции: показать роль электроэнергетической
системы в народном хозяйстве и тенденции
ее развития, дать основные понятия и
определения.

Топливно
— энергетический комплекс

Источники
электрической и тепловой энергии

Электрические
сети Тепловые
сети

Потребители
электрической энергии Потребители
теплоты

Техническая
основа современной электроэнергетики:

440
тепловых и гидравлических электростанций
мощностью соответственно 132,1 и 43,8 млн.
кВт и 9 атомных электростанций мощностью
22,1 млн. кВт.

линии
электропередачи всех классов напряжения
протяженностью 2,67 млн. км, в т.ч. напряжением
свыше 220 кВ – 150,7 тыс. км.

Энергетическая
система
состоит из электростанций, электрических
сетей и потребителей электроэнергии,
соединенных между собой и связанных
общностью режима в непрерывном процессе
производства, распределения и потребления
электрической и тепловой энергии, при
общем управлении этим режимом.

Электроэнергетическая
система
– это часть энергетической системы, за
исключением тепловых сетей и тепловых
потребителей – совокупность электрических
частей электростанций, электрических
сетей и электроприемников, работающих
по согласованному режиму при его общем
управлении.

Электростанция
– производит или генерирует электроэнергию,
а теплофикационная электростанция –
электрическую и тепловую энергию.

По
виду первичного источника энергии,
преобразуемого в электрическую или
тепловую энергию, различают станции:

ТЭС
делятся на конденсационные электростанции
(КЭС), государственные районные
электростанции (ГРЭС), теплофикационные
(ТЭЦ) – вырабатывающие и электроэнергию
и тепло.

электростанции,
относящиеся к нетрадиционным источникам
энергии: гидроаккумулирующие,

Электрическая
сеть –
совокупность электроустановок,
предназначенных для передачи и
распределения электроэнергии от
электростанций к потребителям. Эл. сеть
состоит из воздушных и кабельных линий
электропередачи, подстанций, РУ и
переключательных пунктов.

Линия
электропередачи
– это электроустановка, предназначенная
для передачи электроэнергии, т.е. система
проводов, соединительной арматуры,
опор, изоляторов, траверс, кабелей,
каналов и т.д. При передаче электроэнергии
напряжением выше 1 кВ линия называется
высоковольтной, при передаче электроэнергии
напряжением до 1 кВ – низковольтной.

Стандартные
номинальные (междуфазные напряжения
трехфазного тока частотой 50 Гц) напряжения:

Подстанция
– это
электроустановка, предназначенная для
преобразования и распределения
электроэнергии, она состоит из силовых
трансформаторов, сборных шин, коммутационных
аппаратов и вспомогательного оборудования
– устройств РЗА, измерительных приборов.
ПС предназначены для связи генераторов
и потребителей электроэнергии с ЛЭП и
для связи отдельных частей
электроэнергетической системы.

Одновременность
процессов производства, распределения
и потребления электроэнергии;

Быстрота
протекания переходных процессов;

Связь
работы энергосистем со всеми отраслями
народного хозяйства.

Единая
электроэнергетическая система (ЕЭС) РФ
представляет собой объединение
электростанций и подстанций электрическими
сетями различных напряжений. ЕЭС РФ
является технологически единым объектом,
функционирование которого подчиняется
соответствующим физическим законам.

ЕЭС
Генерирующие компании

генерирующие
компании федерального значения, например
РусГидро; ТГК (например, Дальневосточная
генерирующая компания);

ФСК
(Федеральная сетевая компания);

сетевые
распределительные компании (например,
ДРСК – Дальневосточная распределительная
сетевая компания);

энергосбытовые
компании, например ДЭК – Дальневосточная
энергетическая компания;

оптовые
и розничные рынки.

Технологическое
и диспетчерское управление осуществляется
СО-ЦДУ РФ (системный оператор –
центрального диспетчерского управления
РФ) через СО-ОДУ и СО-РДУ.

Тенденции
и направления развития электроэнергетики
РФ:

—
рост генерирующих мощностей и изменение
технологической структуры генерирующих
мощностей;

—
внедрение распределенной генерации;

—
развитие системообразующих сетей и
усиление межсистемных связей;

—
ориентация на высокоэффективные
технологии;

—
обеспечение надежного энергоснабжения
потребителей;

—
развитие рыночных принципов
функционирования;

—
повышение эффективности производства,
передачи и потребления электроэнергии;

—
создание условий для привлечения
инвестиций в электроэнергетику;

—
развитие системы диспетчерского
управления ЕЭС в иных условиях;

—
глобализация ЭЭС;

—
модернизация электроустановок.

Соседние файлы в папке СИС

3 Гидроэнергетика

Гидравлические
электростанции находятся на втором
месте по количеству вырабатываемой
энергии. Они производят наиболее дешевую
электроэнергию, но имеют большую
себестоимость постройки. Современные
ГЭС производят до 7 млн. кВт электроэнергии,
что в два раза превышает объем производимой
энергии на ТЭС.

ГЭС можно разделить
на две группы:

В Европе размещение
и развитие ГЭС несколько затруднено,
так как земля там имеет очень большую
стоимость и ГЭС загрязняет равнинные
реки, которые являются основными в
Европе. Ныне сохранили свое значение
ГЭС, расположенные в Альпийском регионе
и Скандинавии.

В России большая
часть ГЭС расположена на равнинных
реках, от которых стараются отказаться
западные страны и перейти на горный
тип.

2 Атомная энергетика.

При создании
технологии АЭС многие ученые полагали,
что в будущем она заменит нефть, газ, и
уголь. Первая АЭС – Обнинская была
пущена в 1954 году в СССР. После первых
результатов, которые оказались очень
даже хорошими в то время, некоторые
высокоразвитые страны, такие как: СССР,
США, Франция и ФРГ — стали вплотную
заниматься атомной энергетикой.

В 60-х годах
в разных странах были созданы
энергетические программы, в которых
намечалась массовая постройка АЭС. В
связи с этим специалисты рассчитали
что количество АЭС к 2000 году будет
насчитывать 2000, которые будут давать
более 50% всей электроэнергии, но события,
произошедшие на Чернобыле и на АЭС
Три-Майл-Айленд в США изменили взгляды
ученых на атомную энергетику: стало
понятно, что это очень опасная отрасль
энергетики, а недавние события в Японии
это еще раз подтвердили.