Традиционная энергетика. Основные типы электрических станций

Традиционная электроэнергетика

Традиционная электроэнергетика уже несколько сотен лет хорошо освоенна и проверенна в различных условиях эксплуатации. Львиную долю электроэнергии в мире производят на традиционных теплоэлектростанциях (ТЭС).

Тепловая энергетика

В тепловой энергетике производство электрической энергии производится на тепловых электростанциях, использующих последовательное преобразоване естественной энергии органического топлива в тепло- и электро- энергию. ТЭС делятся на:

Паротурбинные ;

Газотурбинные ;

Парогазовые .

Теплоэнергетика в мире занимает ведущую роль среди остальных видов. Из нефти производится 39 % всей электроэнергии в мире, на основе угля — 27 %, на основе газа — 24 %.

В Польше и ЮАР энергетика по большей части основана на сгорании угля, а в Голландии — на основе газа. Большая доля теплоэнергетики в таких странах как Китай, Австралия и Мексика.

Основополагающим оборудованием ТЭС являются такие составляющие как котел, турбина и генератор. При сжигании топлива в котле выделяется теплоэнергия, которая преобразуется в водяной пар. Энергия водяного пара в свою очередь поступает в турбину, которая вращаясь, превращается в механическую энергию. Генератор же эту энергию вращения преобразует в электрическую. Теплоэнергия при этом может также использоваться для нужд потребителя.

Теплоэлектростанции имеют как свои плюсы, так и минусы.
Положительные факторы:
- относительно свободное месторасположение, связанное с месторасположением ресурсов топлива;
- способность производить электроэнергию не зависимо от сезонных колебаний.
Отрицательные факторы:
- ТЭС обладает низким КПД, если точнее, то всего около 32% энергии природных ресурсов преобразуется в электрическую;
- топливные ресурсы - ограничены.
- негативное влияние на окружающую среду.

Гидравлическая энергетика

В гидравлической энергетике электроэнергия производится на гидроэлектростанциях (ГЭС), которые преобразуют энергию водного потока в электрическую.

ГЭС производят одну из самых дешевых видов электроэнергии, но имеют довольно-таки большую себестоимость строительства. Именно ГЭС позволили СССР в первые 10-летия своего становления совершить огромный скачок в промышленности.

Главный недостаткок ГЭС - это сезонность их работы, которая очень неудобна для промышленности.

Существует три вида ГЭС:
- Гидроэлектростанции. Cтроительство гидротехнических сооружений позволило преобразовать природные водные ресурсы реки в искуственные гидроэнергетические ресурсы, которые, преобразуясь в турбине, затем превращаются в механическую энергию, которая в свою очередь используется в генераторе, превращаясь в электроэнергию.

Приливные станции. Здесь используется вода морей. Благодаря приливам и отливам уровень морей меняется. При этом волна иногда достигает 13-ти метров. Между этими уровнями создается разница и так создается напор воды. Но приливная волна часто изменяется, в следствии этого меняется как напор, так и мощность станций. Основным недостатком их является вынужденный режим: такие станции дают мощность не тогда, когда это необходимо потребителю, а в зависимости от природных условий, а именно: от приливов и отливов уровня воды. Стоит отметить также большую стоимость сооружения таких станций.

Гидроаккумулирующие электростанции. Построены, используя цикличность перемещения одного и того же количества воды между различными уровнями бассейнов. Когда ночью потребность в электроэнергии незначительна, вода циркулируется из нижнего бассейна в верхний, при этом используя излишки энергии, производимой ночью. В дневное время, когда резко увеличивается потребление электроэнергии, вода сбрасывается из верхнего водохранилища вниз через турбины, при этом преобразуясь в электроэнергию. На основании такого подхода ГАЭС позволяют снижать пиковые нагрузки.

Следует отметить, что ГЭС очень эффективны, так как используют возобновляемые ресурсы и относительно просты в управлении, а их КПД достигает более 80%. Поэтому их электроэнергия самая дешевая. Однако строительство ГЭС долгосрочное и требует вливания больших капиталовложений и, что немаловажно, наносит ущерб фауне водоемов.

Ядерная энергетика

В ядерной энергетике электроэнергия производится на Атомных станциях (АЭС). Такого вида станции используют для выработки энергии цепную ядерную реакцию урана.

Преимущества АЭС перед другими видами электростанций:
- не загрязняют окружающую среду (за исключением форс-мажоров)
- не требуют привязонности к источнику сырья
- размещенаются практически везде.

Недостатки АЭС перед другими видами электростанций:
- опасность АЭС при всевозможных форс-мажорных обстоятельствах: аварий в результате землетрясений, ураганов и т. п.
- старые модели блоков потенциально опасносны радиационным заражением территорий из-за перегрева реактора.
- трудности в захоронении радиоактивных отходов.

По выработке электроэнергии на АЭС лидирующее положение занимает Франция (80%). В США, Бельгии, Японии и Республике Корея также велика их доля.

Нетрадиционная электроэнергетика

Запасы нефти, газа, угля не бесконечны. Чтобы создать эти запасы, природе понадобилось миллионы лет, а истратятся они всего лишь за сотни лет.

Что же произойдет когда месторождения топлива (нефти и газа) закончатся?

Основные источники альтернативной энергии:
- энергия малых рек;
- энергия приливов и отливов;
- энергия Солнца;
- энергия ветра;
- геотермальная энергия;
- энергия горючих отходов и выбросов;
- энергия вторичных или сбросовых источников тепла и другие.

Положительные факторы, влияющие на развитие этих электростанций:
- более низкая стоимость электроэнергии;
- возможность иметь локальные электростанции;
- возобновляемость нетрадиционных источников энергии;
- повышение надежности существующих энергосистем.

Характерными чертами альтернативной энергетики являются:
- экологическая чистота,
- очень большие вложения на их строительство,
- малая единичная мощность.

Основные направления нетрадиционной энергетики:
Малые ГЭС;
Ветроэнергетика;
Геотермальная энергетика;;

Биоэнергетические установки (установки на биотопливе);
Энергетика Солнца;

Установки на топливных элементах

Водородная энергетика;

Термоядерная энергетика.

Cтраница 1

Традиционная энергетика - это совокупность технических устройств, использующих хорошо освоенные в технологическом отношении энергетические источники и способы преобразования получаемой от них энергии, в первую очередь электрическую.

Отдавая день традиционной энергетике - угольной, газовой, нефтяной и термоядерной (к освоению которой мы уже близки), акцент необходимо сделать на экологически чистые, энергосберегающие технологии и возобновляемые источники - Солнце, ветер, водная стихия.

Альтернативные источники энергии, Традиционная энергетика, Энергетика экологическая.

Прибавим к этому устаревающее оборудование традиционной энергетики, отсутствие необходимой гибкости и мобильности при энергообеспечения динамического нефтегазового бизнеса, невысокие экологические показатели и не всегда высокое качество электроэнергии. Все это в совокупности заставляет нефтегазовые компании искать альтернативу и находить ее в создании собственных локальных источников энергии.

Вместе с тем высокую озабоченность вызывают и аварии в традиционной энергетике, на объектах топливного цикла (от добычи сырья до обращения с отходами), а также на объектах с химическими технологиями.

В последнее время ввиду возникших трудностей с финансированием крупных объектов традиционной энергетики возросло количество заказов на ГТУ-ТЭЦ малой и средней мощности. Представленные в таблице данные относятся только к газотурбинной части электростанции.

Стремление решить эти и другие проблемы наблюдается практически с начала становления традиционной энергетики. Это стремление реализуется, во-первых, в поисках других первичных энергетических источников и, во-вторых, в разработке иных способов преобразования энергии первичных источников в электрическую. Нередко оба эти направления совмещены.

Современная нетрадиционная энергетика - это тот резерв, который дает основания надеяться, что названные ранее проблемы традиционной энергетики могут быть решены в обозримом будущем и развитие энергетики будет продолжено с максимальной пользой для человечества.

Годовые амортизационные отчисления на АЭС рассчитываются, как и на ТЭС, по нормам амортизации, которые являются едиными для аналогичных по устройству, функциональному назначению и условиям работы элементов основных фондов. Наряду с этим на АЭС используются устройства, не имеющие аналогов в традиционной энергетике. Для них по мере накопления опыта эксплуатации должны уточняться сроки службы и нормы амортизации. В нормах амортизации для АЭС должны получить отражение особые условия проведения капитального ремонта оборудования. По причине высокой радиоактивности некоторого оборудования и элементов их ремонт либо невозможен (их не ремонтируют, а заменяют новыми), либо связан со специальными дорогостоящими мероприятиями. Соответственно в нормах амортизации для АЭС должна повышаться реновационная составляющая HP при снижении составляющей по капитальному ремонту и модернизации НК-Р.

Атомная энергетика в случае безаварийной работы еще более экологична, но и она загрязняет воздух такими токсичными веществами, как радиоактивный йод, радиоактивные инертные газы и аэрозоли. В то же время АЭС представляет собой значительно большую потенциальную опасность по сравнению с предприятиями традиционной энергетики.

Сборник включает в себя работы по исследованиям в области теплофизики экстремальных состояний и физики высоких плотностей энергии. Рассматриваются различные модели уравнений состояния вещества в экстремальных условиях, некоторые задачи физики ударных и детонационных волн, методы генерации интенсивных импульсных потоков энергии, эффекты взаимодействия мощных ионных и электронных пучков, лазерного, рентгеновского и СВЧ излучения с веществом, экспериментальные методы диагностики быстрых процессов, физика низкотемпературной плазмы, проблемы управляемого термоядерного синтеза и традиционной энергетики, а также различные технологические аспекты. Издание адресовано специалистам в области физико-технических проблем энергетики.

Безопасность нынешнего поколения реакторов обеспечивается увеличением количества различных систем безопасности и систем ограничения выхода активности, ужесточением требований к оборудованию и персоналу. В результате атомные электростанции становятся более сложными и, следовательно, более дорогостоящими. Атомная энергетика близка к своему экономически предельному уровню: дальнейшее наращивание систем безопасности ведет к снижению существующей конкурентоспособности атомной энергетики по сравнению с традиционной энергетикой.

Технические устройства, составляющие традиционную энергетику, - это, во-первых, тепловые электростанции (ТЭС), работающие на минеральных - твердых, жидких и газообразных органических топливах (уголь, нефть, газ и др.); атомные электростанции (АЭС), работающие на ядерных топливах (уран, плутоний), получаемых из сырьевых минералов; гидравлические электростанции (ГЭС), использующие возобновляемые гидравлические энергетические ресурсы. Эти электростанции являются базовыми в современной энергетике, составляют так называемую большую энергетику. Их отличительные особенности: значительная единичная мощность, работа в общей электросети (возможна работа и в тепловой сети), единый стандарт на качество вырабатываемой электроэнергии. Во-вторых, в традиционную энергетику входят автономные газотурбинные, дизельные и другие установки, использующие ископаемые органические топлива, и автономные гидравлические установки. Эти установки составляют малую энергетику.

Энергетика - область общественного производства, охватывающая энергетические ресурсы, выработку, преобразование, передачу и использование различных видов энергии. Энергетика каждого государства функционирует в рамках созданных соответствующих энергосистем.

Энергосистемы - совокупность энергетических ресурсов всех видов, методов и средств их получения, преобразования, распределения и использования, обеспечивающих снабжение потребителей всеми видами энергии.

В энергосистемы входят:

Электроэнергетическая система;

Система нефте- и газоснабжения;

Система угольной промышленности;

Ядерная энергетика;

Нетрадиционная энергетика.

Из всех вышеперечисленных в Республике Беларусь наиболее представлена электроэнергетическая система.

Электроэнергетическая система - объединение электростанций, связанных линиями электрической передачи (ЛЭП) и совместно питающих потребителей электроэнергией.

Энергетика - одна из форм природопользования. В перспективе, с точки зрения технологии, технически возможный объем получаемой энергии практически неограничен, однако энергетика имеет существенные ограничения по термодинамическим (тепловым) лимитам биосферы. Размеры этих ограничений видимо близки к количеству энергии, усваиваемой живыми организмами биосферы в совокупности с другими энергетическим процессами, идущими на поверхности Земли. Увеличение этих количеств энергии, вероятно, катастрофично или, во всяком случае, кризисно отразится на биосфере.

Наиболее часто в современной энергетике выделяют традиционную и нетрадиционную энергетики.

Традиционная энергетика

Традиционную энергетику главным образом разделяют на электроэнергетику и теплоэнергетику.

Наиболее удобный вид энергии - электрическая, которая может считаться основой цивилизации. Преобразование первичной энергии в электрическую производится на электростанциях: ТЭС, ГЭС, АЭС.

Примерно 70 % электроэнергии вырабатывают на ТЭС. Они делятся на конденсационные тепловые электростанции (КЭС), вырабатывающие только электроэнергию, и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), которые производят электроэнергию и теплоту.

Основное оборудование ТЭС - котел-парогенератор, турбина, генератор, конденсатор пара, циркуляционный насос.

В котле парогенератора при сжигании топлива выделяется тепловая энергия, которая преобразуется в энергию водяного пара. В турбине энергия водяного пара превращается в механическую энергию вращения. Генератор превращает механическую энергию вращения в электрическую. Схема ТЭЦ отличается тем, что по ней, помимо электрической энергии, вырабатывается и тепловая путем отвода части пара и нагрева с его помощью воды, подаваемой в тепловые магистрали.

Есть ТЭС с газотурбинными установками. Рабочее тело и них - газ с воздухом. Газ выделяется при сгорании органического топлива и смешивается с нагретым воздухом. Газовоздушная смесь при 750 - 770°С подается в турбину, которая вращает генератор. ТЭС с газотурбинными установками более маневренна, легко пускается, останавливается, регулируется. Но их мощность в 5 - 8 раз меньше паровых.

Процесс производства электроэнергии на ТЭС можно разделить на три цикла: химический - процесс горения, в результате которого теплота передается пару; механический - тепловая энергия пара превращается в энергию вращения; электрический - механическая энергия превращается в электрическую.

Общий КПД ТЭС состоит из произведения КПД (з) циклов:

КПД идеального механического цикла определяется так называемым циклом Карно:

где T 1 и Т 2 - температура пара на входе и выходе паровой турбины.

На современных ТЭС Т 1 = 550 °С (823 °К), Т 2 = 23 °С (296 °К).

Практически с учетом потерь = 36 - 39 %. Из-за более полного использования тепловой энергии КПД ТЭЦ = 60 - 65 %.

Атомная электростанция отличается от ТЭС тем, что котел заменен ядерным реактором. Теплота ядерной реакции используется для получения пара.

Первичной энергией на АЭС является внутренняя ядерная энергия, которая при делении ядра выделяется в виде колоссальной кинетической энергии, которая, в свою очередь, превращается в тепловую. Установка, где идут эти превращения, называется реактором.

Через активную зону реактора проходит вещество теплоноситель, которое служит для отвода тепла (вода, инертные газы и т.д.). Теплоноситель уносит тепло в парогенератор, отдавая его воде. Образующийся водяной пар поступает в турбину. Регулирование мощности реактора производится с помощью специальных стержней. Они вводятся в активную зону и изменяют поток нейтронов, а значит, и интенсивность ядерной реакции.

Природное ядерное горючее атомной электрической станции - уран. Для биологической защиты от радиации используется слой бетона в несколько метров толщиной.

При сжигании 1 кг каменного угля можно получить 8 кВт-ч электроэнергии, а при расходе 1 кг ядерного топлива вырабатывается 23 млн. кВтч электроэнергии.

Более 2000 лет человечество использует водную энергию Земли. Теперь энергия воды используется на гидроэнергетических установках (ГЭУ) трех видов:

1) гидравлические электростанции (ГЭС);

2) приливные электростанции (ПЭС), использующие энергию приливов и отливов морей и океанов;

3) гидроаккумулирующие станции (ГАЭС), накапливающие и использующие энергию водоемов и озер.

Гидроэнергетические ресурсы в турбине ГЭУ преобразуются в механическую энергию, которая в генераторе превращается в электрическую.

Таким образом, основными источниками энергии являются твердое топливо, нефть, газ, вода, энергия распада ядер урана и других радиоактивных веществ.

Разведанные месторождения нефти на территории Беларуси сосредоточены в нефтегазоносной области - Припятской впадине, площадь которой около 30 тыс. кв. км. Начальные извлекаемые ресурсы нефти были оценены в 355,56 млн. т. В промышленные категории переведено 46 процентов указанных ресурсов. С 1965 года по 2002 были открыты 185 месторождений с залежами нефти, 64 из которых имеют суммарные запасы 168 млн. т. Соответственно неразведанные ресурсы нефти оцениваются на уровне 187,56 млн. т.

С начала разработки добыто 109,784 млн. т нефти и 11,3 млрд. куб. м попутного газа, остаточные запасы нефти промышленных категорий составляют 58 млн. т, попутного газа - 3,43 млрд. куб. м. Основная часть нефти (96 процентов) добывается (в последнее время более 1,8 млн. т в год) из активных остаточных запасов, составляющих 26 млн. т (41 процент), срок их обеспеченности - 15 лет, а вместе с трудноизвлекаемыми (низкопроницаемые коллекторы, обводненность более 80 процентов и высокая вязкость) - 31 год.

Ожидается, что уровень ежегодной добычи нефти к 2012 году снизится на 320 тыс. т, или 11,3 процента, и составит 1500 тыс. т. Извлекаемые объемы попутного газа сократятся с 254 млн. куб. м в 2003 году до 208 млн. куб. м в 2012.

Исходя из анализа динамики нефтедобычи как в мировой практике, так и в республике после достигнутого максимального уровня ее добычи отмечается резкий спад. Это происходит из-за того, что основные наиболее крупные месторождения нефти, обеспечившие достигнутые уровни добычи, постепенно истощались, а запасы по вновь открываемым небольшим залежам не восполняли объемы извлекаемой нефти. Кроме того, спад усугубляется ростом доли в общем объеме добычи трудноизвлекаемой нефти, добыча которой из недр требует применения новых дорогостоящих технологий. При этом значительно снижается экономическая эффективность ее добычи.

Для того чтобы стабилизировать добычу нефти и создать предпосылки ее роста, требуется резко увеличить ресурсно-сырьевую базу путем открытия новых месторождений с запасами, превышающими объемы нефтеизвлечения.

В Республике Беларусь перспективными в нефтегазоносном отношении кроме Припятского прогиба являются Оршанская и Подлясско-Брестская впадины. Однако промышленная нефтеносность установлена только в Припятском прогибе. Перспективы Оршанской и Подлясско-Брестской впадин весьма проблематичны и однозначно пока не определены. Поэтому стратегия дальнейшего развития нефтедобывающей промышленности республики основывается на современных знаниях геологического строения Беларуси, опыте поисков, разведки и разработки месторождений нефти и рассчитывается исходя из ресурсной базы только Припятского прогиба. Так как в прогибе крупные месторождения нефти уже открыты и эксплуатируются, а объективные предпосылки увеличения добычи в настоящее время отсутствуют, то в основу расчета прогнозных показателей добычи положен принцип максимально возможного замедления темпов падения уровня добычи нефти и его стабилизации.

Для решения поставленных задач необходимо открывать и быстро вводить в разработку новые месторождения нефти и производить интенсивное и наиболее полное извлечение нефти из недр на основе передовых современных технологических средств поиска, разведки и добычи нефти, которые направлены на:

1) повышение степени достоверности структур (объектов), подготавливаемых к бурению сейсморазведкой (расширение применения пространственных сейсморазведочных работ, совершенствование способов обработки и интерпретации материалов);

2) улучшение проходки, крепления и испытания скважин, обеспечивающих сохранение коллекторных свойств продуктивных пластов при первичном и вторичном вскрытии (перевооружение буровых установок, внедрение современного породоразрушающего инструмента и промывочной жидкости);

3) повышение эффективности геофизических и геохимических исследований скважин по выявлению коллекторов и их нефтегазоносности (техническое переоснащение промыслово-геофизических и скважинных сейсмических исследований);

4) интенсификацию нефтедобычи и увеличение нефтеотдачи пластов (приобретение установок для бурения вторых стволов, применение физико-химических методов воздействия на пласт, внедрение системы контроля за работой электропогружных установок, приобретение высоконапорных установок и др.);

5) добычу высоковязкой нефти (испытание различных технологий).

В республике разведано более 9000 торфяных месторождений общей площадью в границах промышленной глубины залежи 2,54 млн. га и с первоначальными запасами торфа 5,65 млрд. т. К настоящему времени оставшиеся геологические запасы оцениваются в 4 млрд. т, что составляет 70 процентов от первоначальных.

Основные запасы залегают в месторождениях, используемых сельским хозяйством (1,7 млрд. т, или 39 процентов оставшихся запасов) или отнесенных к природоохранным объектам (1,6 млрд. т, или 37 процентов).

Ресурсы торфа, отнесенные в разрабатываемый фонд, оцениваются в 250 млн. т, что составляет 5,5 процента оставшихся запасов. Извлекаемые при разработке месторождений запасы оцениваются в 100-130 млн. т.

Приведенные данные свидетельствуют о значительных запасах торфа, располагаемых республикой. Однако в настоящее время его потребителем является преимущественно коммунально-бытовой сектор, что сдерживает рост его потребления. Дальнейшее существенное увеличение использования торфа для топливных целей возможно за счет переоборудования действующих либо создания новых котельных и мини-ТЭЦ, предназначенных для работы на этом виде топлива.

Увеличение объемов добычи торфа топливной группы требует подготовки 8000 га новых площадей торфяных месторождений и закупки дополнительного технологического оборудования. Предусматривается дальнейшее увеличение добычи кускового торфа. В долгосрочной перспективе возможно сооружение мобильных заводов мощностью 5-10 тыс. тонн.

Для повышения коэффициента использования залежей торфа и таким образом увеличения извлекаемых его запасов необходимо широкое внедрение новых направлений использования выработанных торфяных месторождений - выработка запасов торфа с оставлением 0,2-0,3 метра защитного слоя, повторное заболачивание выработанных месторождений.

По состоянию на 1 января 2003 г. в неогеновых отложениях известно 3 месторождения бурых углей: Житковичское, Бриневское и Тонежское с общими запасами 151,6 млн. т. Разведаны детально и подготовлены для промышленного освоения Северная (23,5 млн. т) и Найдинская (23,1 млн. т) залежи углей Житковичского месторождения, две другие - Южная (13,8 млн. т) и Кольменская (8,6 млн. т) разведаны предварительно.

На базе Житковичского месторождения с учетом предварительно разведанных запасов возможно строительство буроугольного карьера годовой мощностью 2 млн.т (0,37 млн.т у. т.). Ориентировочная стоимость строительства первой очереди разреза мощностью в 1,2 млн. т в год (0,22 млн. т у. т.) составит 57 млн.долларов США, при увеличении мощности до 2-2,4 млн. т потребуется дополнительно 25,7 млн. долларов США. Угли низкокалорийные - низшая теплота сгорания рабочего топлива 1500-1700 ккал/кг, влажность - 56-60 процентов, средняя зольность - 17-23 процента, пригодны для использования как коммунально-бытовое топливо после брикетирования совместно с торфом.

Разработка угольных месторождений возможна открытым способом, однако в ближайшей перспективе не рекомендована республиканской экологической комиссией, поскольку в результате вынужденного резкого снижения грунтовых вод возможный экологический ущерб из-за гибели лесных угодий, рыбных прудов, снижения урожайности сельхозугодий, запыленности территорий значительно превысит получаемые выгоды.

Прогнозные запасы горючих сланцев (Любанское и Туровское месторождения) оцениваются в 11 млрд. т, промышленные - 3 млрд.т. Наиболее изученным является Туровское месторождение, в пределах которого предварительно разведано первое шахтное поле с запасами 475-697 млн. т (1 млн. т таких сланцев эквивалентен примерно 220 тыс.т у. т.). Теплота сгорания - 1000-1510 ккал/кг, зольность - 75 процентов, выход смол - 6-9,2 процента, содержание серы - 2,6 процента.

По своим качественным показателям белорусские горючие сланцы не являются эффективным топливом из-за высокой их зольности и низкой теплоты сгорания. Они не пригодны для прямого сжигания, а требуют предварительной термической переработки с выходом жидкого и газообразного топлива. Стоимость получаемых продуктов (коксовый газ и сланцевое масло) на 30 процентов выше мировых цен на нефть с учетом ее доставки на территорию республики.

Помимо сказанного следует отметить, что получаемая после термической переработки черная зола не пригодна для дальнейшего использования в сельском хозяйстве и строительстве, а из-за неполного извлечения органической массы в золе прослеживается содержание канцерогенных веществ.

Все существующие направления энергетики можно условно разделить на зрелые, развивающиеся и находящиеся в стадии теоретической проработки. Одни технологии доступны для реализации даже в условиях частного хозяйства, а другие могут использоваться только в рамках промышленного обеспечения. Рассматривать и оценивать современные виды энергетики можно с разных позиций, однако принципиальное значение имеют универсальные критерии экономической целесообразности и производственной эффективности. Во многом по этим параметрам сегодня расходятся концепции применения традиционных и альтернативных технологий генерации энергии.

Традиционная энергетика

Это широкий пласт сформировавшихся отраслей тепло- и электроэнергетики, обеспечивающей порядка 95% мировых потребителей энергии. Генерация ресурса происходит на специальных станциях - это объекты ТЭС, ГЭС, АЭС и т. д. Они работают с готовой сырьевой базой, в процессе переработки которой происходит выработка целевой энергии. Выделяют следующие стадии производства энергии:

Изготовление, подготовка и доставка исходного сырья на объект выработки того или иного вида энергии. Это могут быть процессы добычи и обогащения топлива, сжигание нефтепродуктов и т. д.
Передача сырья к узлам и агрегатам, непосредственно преобразующим энергию.
Процессы из первичной во вторичную. Эти циклы присутствуют не на всех станциях, но, к примеру, для удобства доставки и последующего распределения энергии могут использоваться разные ее формы - в основном тепло и электричество.
Обслуживание готовой преобразованной энергии, ее передача и распределение.

На завершающем этапе ресурс отправляется конечным потребителям, в качестве которых могут выступать и отрасли народного хозяйства, и рядовые домовладельцы.

Тепловая электроэнергетика

Самая распространенная отрасль энергетики в в стране производят более 1000 МВт, используя в качестве перерабатываемого сырья уголь, газ, нефтепродукты, сланцевые залежи и торф. Вырабатываемая первичная энергия в дальнейшем преобразуется в электричество. Технологически у таких станций масса преимуществ, которые и обуславливают их популярность. К ним можно отнести нетребовательность к условиям эксплуатации и легкость технической организации рабочего процесса.

Объекты тепловой энергетики в виде конденсационных сооружений и теплоэлектроцентралей могут возводиться прямо в районах добычи расходного ресурса или местах нахождения потребителя. Сезонные колебания никак не влияют на стабильность функционирования станций, что делает такие источники энергии надежными. Но есть и недостатки у ТЭС, к которым можно отнести применение исчерпаемых топливных ресурсов, загрязнение окружающей среды, необходимость подключения больших объемов трудовых ресурсов и др.

Гидроэнергетика

Гидротехнические сооружения в виде энергетических подстанций предназначены для выработки электричества в результате преобразования энергии потока воды. То есть, технологический процесс генерации обеспечивается сочетанием искусственных и природных явлений. В ходе работы станция создает достаточный напор воды, которая в дальнейшем направляется к турбинным лопастям и активизирует электрогенераторы. Гидрологические виды энергетики различаются по типу используемых агрегатов, конфигурации взаимодействия оборудования с естественными потоками воды и т. д. По рабочим показателям можно выделить следующие разновидности гидростанций:

Малые - вырабатывают до 5 МВт.
Средние - до 25 МВт.
Мощные - более 25 МВт.

Также применяется классификация в зависимости от силы напора воды:

Низконапорные станции - до 25 м.
Средненапорные - от 25 м.
Высоконапорные - выше 60 м.

К достоинствам гидроэлектростанций относят экологическую чистоту, экономическую доступность (бесплатная энергия), неисчерпаемость рабочего ресурса. В то же время гидротехнические сооружения требуют больших начальных затрат на техническую организацию аккумулирующей инфраструктуры, а также имеют ограничения по географическому размещению станций - только там, где реки обеспечивают достаточный напор воды.

В некотором смысле это подвид тепловой энергетики, но практически производственные показатели работы ядерных станций на порядок выше ТЭС. В России используют полные циклы выработки атомной электроэнергии, что позволяет генерировать большие объемы энергетического ресурса, но имеют место и огромные риски использования технологий обработки урановой руды. Обсуждением вопросов безопасности и популяризации задач данной отрасли, в частности, занимается АНО «Информационный центр атомной энергетики», имеющий представительства в 17 регионах России.

Ключевую роль в исполнении процессов генерации ядерной энергии играет реактор. Это агрегат, предназначенный для поддержания реакций деления атомов, которые, в свою очередь, сопровождаются выделением тепловой энергии. Существуют разные типы реакторов, отличающиеся применяемым видом топлива и теплоносителем. Чаще используется конфигурация с легководным реактором, использующим в качестве теплоносителя обычную воду. Основным ресурсом переработки в энергетике выступает урановая руда. По этой причине АЭС обычно проектируются с расчетом на размещение реакторов вблизи от месторождений урана. На сегодняшний день в России действует 37 реакторов, совокупная мощность выработки которых составляет около 190 млрд кВт*ч/год.

Характеристика альтернативной энергетики

Практически все источники альтернативной энергии выгодно отличаются финансовой доступностью и экологической чистотой. По сути, в данном случае происходит замена перерабатываемого ресурса (нефти, газа, угля и т. д.) на природную энергию. Это может быть солнечный свет, потоки ветра, тепло земли и другие естественные источники энергии за исключением гидрологических ресурсов, которые сегодня рассматриваются как традиционные. Концепции альтернативной энергетики существуют давно, однако по сей день они занимают небольшую долю в общем мировом энергообеспечении. Задержки в развитии данных отраслей связаны с проблемами технологической организации процессов выработки электричества.

Но чем обусловлено активное развитие альтернативной энергетики в наши дни? В немалой степени необходимостью снижения темпов загрязнения окружающей среды и в целом проблемами экологии. Также в скором будущем человечество может столкнуться с истощением традиционных ресурсов, используемых в производстве энергии. Поэтому, даже несмотря на организационные и экономические препятствия, все больше внимания уделяется проектам развития альтернативных форм энергетики.

Геотермальная энергетика

Один из самых распространенных в бытовых условиях. Геотермальная энергия вырабатывается в процессе аккумуляции, передачи и преобразования внутреннего тепла Земли. В промышленных масштабах обслуживаются подземные породы на глубинах до 2-3 км, где температура может превышать 100°С. Что касается индивидуального применения геотермальных систем, то чаще задействуются поверхностные аккумуляторы, располагаемые не в скважинах на глубине, а горизонтально. В отличие от других подходов к выработке альтернативной энергии, практически все геотермальные виды энергетики в производственном цикле обходятся без этапа преобразования. То есть первичная тепловая энергия в этой же форме и поставляется конечному потребителю. Поэтому используется такое понятие, как геотермальные системы отопления.

Солнечная энергетика

Одна из старейших концепций альтернативной энергетики, задействующая в качестве аккумулятивного оборудования фотоэлектрические и термодинамические системы. Для реализации фотоэлектрического метода генерации используют преобразователи энергии световых фотонов (квантов) в электричество. Термодинамические установки более функциональны и за счет солнечных потоков могут вырабатывать как тепло с электричеством, так и механическую энергию для создания приводного усилия.

Схемы достаточно простые, но есть немало проблем при эксплуатации такого оборудования. Связано это с тем, что солнечная энергетика в принципе характеризуется целым рядом особенностей: нестабильностью из-за суточных и сезонных колебаний, зависимостью от погоды, низкой плотностью потоков света. Поэтому на этапе проектирования солнечных батарей и аккумуляторов много внимания уделяется исследованию метеорологических факторов.

Волновая энергетика

Процесс выработки электричества из волн происходит в результате преобразования энергии прилива. В основе большинства электростанций такого типа находится бассейн, который организуется или в ходе отделения устья реки, или за счет перекрытия залива плотиной. В образованном барьере устраиваются водопропускные отверстия с гидротурбинами. По мере изменения уровня воды во время приливов происходит вращения турбинных лопастей, что и способствует выработке электричества. Отчасти этот вид энергетики схож с но сама механика взаимодействия с водным ресурсом имеет существенные отличия. Волновые станции могут использоваться на побережьях морей и океанов, где уровень воды поднимается до 4 м, позволяя вырабатывать мощность до 80 кВт/м. Недостаток таких сооружений связан с тем, что водопропускные сооружения нарушают обмен пресной и морской воды, а это негативно сказывается на жизни морских организмов.

Еще один доступный для применения в частном хозяйстве способ получения электричества, отличающийся технологической простотой и экономической доступностью. В качестве обрабатываемого ресурса выступает кинетическая энергия воздушных масс, а роль аккумулятора выполняет двигатель с вращающимися лопастями. Обычно в ветровой энергетике применяют генераторы электрического тока, которые активизируются в результате вращения вертикальных или горизонтальных роторов с пропеллерами. Средняя бытовая станция такого типа способна генерировать 2-3 кВт.

Энергетические технологии будущего

По оценкам экспертов, к 2100 г совокупная доля угля и нефти в мировом балансе составит около 3%, что должно отодвинуть термоядерную энергетику на роль второстепенного источника энергетических ресурсов. На первое же место должны встать солнечные станции, а также новые концепции преобразования космической энергии, основанной на беспроводных каналах передачи. Процессы становления должны начаться уже к 2030 г., когда наступит период отказа от углеводородных источников топлива и перехода к «чистым» и возобновляемым ресурсам.

Перспективы российской энергетики

Будущее отечественной энергетики преимущественно связывается с развитием традиционных способов преобразования природных ресурсов. Ключевое место в отрасли должна будет занять ядерная энергетика, но в комбинированном варианте. Инфраструктуру атомных станций должны будут дополнять элементы гидротехники и средства переработки экологически чистого биотоплива. Не последнее место в возможных перспективах развития отводится и солнечным батареям. В России и сегодня этот сегмент предлагает немало привлекательных идей - в частности, панели, которые могут работать даже в зимнее время. Аккумуляторы преобразуют энергию света как такового даже без тепловой нагрузки.

Заключение

Современные обеспечения ставят крупнейшие государства перед выбором между мощностью и экологической чистотой выработки тепла и электричества. Большинство освоенных альтернативных источников энергии при всех своих плюсах не способны в полной мере заменить традиционные ресурсы, которые, в свою очередь, могут использоваться еще несколько десятилетий. Поэтому энергию будущего многие специалисты представляют как некий симбиоз различных концепций генерации энергоресурсов. Причем новые технологии ожидаются не только на промышленном уровне, но и в бытовом хозяйстве. В этой связи можно отметить градиент-температурные и биомассовые принципы энергетической выработки.

Традиционную энергетику главным образом разделяют на электроэнергетику и теплоэнергетику.

Наиболее удобный вид энергии – электрическая, которая может считаться основой цивилизации. Преобразование первичной энергии в электрическую производится на электростанциях: ТЭС, ГЭС, АЭС.

Производство энергии необходимого вида и снабжение ею потребителей происходит в процессе энергетического производства, в котором можно выделитьпять стадий :

1. Получение и концентрация энергетических ресурсов : добыча и обогащение топлива, концентрация напора воды с помощью гидротехнических сооружений и т.д.;

2. Передача энергетических ресурсов к установкам, преобразующим энергию ; она осуществляется перевозками по суше и воде или перекачкой по трубопроводам воды, нефти, газа и т.д.;

3. Преобразование первичной энергии во вторичную , имеющую наиболее удобную для распределения и потребления в данных условиях форму (обычно в электрическую и тепловую энергию);

4. Передача и распределение преобразованной энергии ;

5. Потребление энергии , осуществляемое как в той форме, в которой она доставлена потребителю, так и в преобразованной форме.

Потребителями энергии являются: промышленность, транспорт, сельское хозяйство, жилищно-коммунальное хозяйство, сфера быта и обслуживания.

Если общую энергию применяемых первичных энергоресурсов принять за 100%, то полезно используемая энергия составит только 35–40%, остальная часть теряется, причем большая часть – в виде теплоты.

Основные типы электростанций и их характеристики

Преобразование первичной энергии во вторичную, в частности в электрическую, осуществляется на станциях, которые в своем названии содержат указание на то, какой вид первичной энергии в какой вид вторичной преобразуется на них:

ТЭС – тепловая электрическая станция преобразует тепловую энергию в электрическую;

ГЭС – гидроэлектростанция преобразует механическую энергию движения воды в электрическую;

ГАЭС – гидроаккумулирующая электростанция преобразует механическую энергию движения предварительно накопленной в искусственном водоеме воды в электрическую;

АЭС – атомная электростанция преобразует атомную энергию ядерного топлива в электрическую;

ПЭС – приливная электростанция преобразует энергию океанических приливов и отливов в электрическую;

ВЭС – ветряная электростанция преобразует энергию ветра в электрическую;

СЭС – солнечная электростанция преобразует энергию солнечного света в электрическую, и т.д.

В Беларуси более 95% энергии вырабатывается на ТЭС. Поэтому рассмотрим процесс преобразования энергии на ТЭС. По назначению ТЭС делятся на два типа:

КЭС - конденсационные тепловые электростанции, вырабатывающие только электрическую энергию;

ТЭЦ - теплоэлектроцентрали, на которых осуществляется совместное производство электрической и тепловой энергии.

ТЭС могут работать как на органическом (газ, мазут, уголь), так и на ядерном топливе.

Основное оборудование ТЭС (рис. 2.3) состоит из котла-парогенератора ПГ, турбины Т и генератора Г. В котле при сжигании топлива выделяется тепловая энергия, которая преобразуется в энергию водяного пара. В турбине Т водяной пар превращается в механическую энергию вращения – турбина со скоростью 3000 оборотов в минуту (50 Герц) вращает электрогенератор Г, который превращает энергию вращения в электрическую. Тепловая энергия для нужд потребления может быть взята в виде пара из турбины или котла. На рисунке, кроме основного оборудования ТЭС, показаны конденсатор пара К, где отработанный пар охлаждается внешней водой и конденсируется (при этом от пара отводится некоторое количество теплоты и выбрасывается в окружающую среду) и циркуляционный насос Н, который подает конденсат снова в котел. Таким образом, цикл замыкается. Схема ТЭЦ отличается тем, что взамен конденсатора устанавливается теплообменник, где пар при значительном давлении нагревает воду, подаваемую в главные тепловые магистрали.

Рассмотренная схема ТЭС является основной, в ней используется парогенератор, в котором водяной пар служит носителем энергии. Имеются тепловые станции с газотурбинными установками. Носитель энергии в таких установках в таких установках – газ с воздухом. Газ выделяется при сгорании органического топлива и смешивается с нагретым воздухом. Газовоздушная смесь при температуре 750–770 о С подается в турбину, которая вращает генератор. ТЭС с газотурбинными установками более маневренна, чем паротурбинная: легко пускается, останавливается и регулируется; пока мощности таких турбин в 5–8 раз меньше, чем паровых, и они должны работать на высокосортном топливе.

Сочетание паротурбинной и газотурбинной установок образует парогазовые установки, в них используются два энергоносителя – пар и газ.

Процесс производства электроэнергии на ТЭС можно разделить на три цикла: химический – процесс горения, в результате которого теплота передается пару; механический – тепловая энергия пара превращается в энергию вращения; электрический – механическая энергия вращения превращается в электрическую.

Общий коэффициент полезного действия ТЭС состоит из произведения коэффициентов полезного действия всех перечисленных циклов:

η тэс = η х · η м · η э

КПД ТЭС теоретически равен:

η тэс= 0,9 · 0,63 · 0,9 = 0,5.

Практически с учетом потерь КПД ТЭС находится в пределах 36–39%. Это означает, что 64–61% топлива используется «впустую», загрязняя окружающую среду в виде тепловых выбросов в атмосферу. КПД ТЭЦ примерно в 2 раза выше, чем КПД ТЭС. Поэтому использование ТЭЦ является существенным фактором энергосбережения.

Рис. 2.4. Принципиальная схема атомной электростанции

1 - реактор; 2 - парогенератор; 3- турбина;

4 - генератор; 5 - трансформатор; б - электролинии

Природное ядерное горючее атомной электрической станции – уран. Для биологической защиты от радиации используется слой бетона в несколько метров толщиной.

При сжигании 1 кг каменного угля можно получить 8 кВт·ч электроэнергии, а при расходе 1 кг ядерного топлива вырабатывается 23 млн. кВт·ч электроэнергии.

гидравлические электростанции (ГЭС), использующие энергию рек;

приливные электростанции (ПЭС), использующие энергию приливов и отливов морей и океанов;

гидроаккумулирующие станции (ГАЭС), накапливающие и использующие энергию водоемов и озер.