Основные производители электроэнергии

Лекция № 3

Основные источники электроэнергии

План лекции

1. Основные производители электроэнергии

2. Виды электростанций

3. Автономные источники электроэнергии

Основные производители электроэнергии

Энергетическая система (энергосистема) – совокупность электростанций, электрических и тепловых сетей, соединенных между собой и связанных общностью режима в непрерывном процессе производства, преобразования и распределения электроэнергии и теплоты при общем управлении этим режимом.

Особенности электроэнергетики как отрасли обусловлены спецификой ее основного продукта. Электроэнергия по своим свойствам подобна услуге: время ее производства совпадает со временем потребления. Электроэнергетика должна быть готова к выработке, передаче и поставке электроэнергии в момент появления спроса, в том числе в пиковом объеме, располагая для этого необходимыми резервными мощностями и запасом топлива. Чем больше максимальное (хотя бы и кратковременное) значение спроса, тем больше должны быть мощности, чтобы обеспечить готовность к оказанию услуги. (Ситуация изменится, если появятся эффективные технологии хранения электроэнергии. Пока это в основном аккумуляторы разных типов, а также гидроаккумулирующие станции.)

Невозможность хранения электроэнергии в промышленных масштабах предопределяет технологическое единство всего процесса ее производства, передачи и потребления. Вероятно, это единственная отрасль в современной экономике, где непрерывность производства продукции должна сопровождаться таким же непрерывным ее потреблением. В силу этой особенности в электроэнергетике существуют жесткие технические требования к каждому этапу технологического цикла, в том числе по частоте электрического тока и напряжению.

Принципиальной особенностью электрической энергии как продукта, отличающей ее от всех других видов товаров и услуг, является то, что ее потребитель может повлиять на устойчивость работы производителя.

Потребности экономики и общества в электрической энергии существенно зависят от погодных факторов, времени суток, технологических режимов различных производственных процессов в отраслях-потребителях, особенностей домашних хозяйств, даже от программы телепередач. Различия между максимальным и минимальным уровнями потребления определяет потребность в так называемых резервных мощностях, которые включаются только тогда, когда уровень потребления достигает определенного значения.

Структура генерации по видам топлива: уголь - 22%, природный газ – 41%, ГЭС – 16 %, АЭС – 12%, нефть (мазут) – 5%, прочие – 4%.

Основными производителями электроэнергии являются:

- тепловые электростанции (ТЭС), где тепловая энергия, образующаяся при сжигании органического топлива (уголь, газ, мазут, торф, сланцы и т.д.), используется для вращения турбин, приводящих в движение электрогенератор. Возможность одновременного производства тепла и электроэнергии привела к распространению в ряде стран централизованного теплоснабжения на ТЭЦ;

- гидроэлектростанции (ГЭС), где в электроэнергию преобразуется механическая энергия потока воды с помощью гидравлических турбин, вращающих электрогенераторы;

- атомные электростанции (АЭС), где в электроэнергию преобразуется тепловая энергия, полученная при цепной ядерной реакции радиоактивных элементов в реакторе.

Тепловые электростанции (ТЭС), работающие на органическом топливе (уголь, мазут, газ, сланцы, торф), являются на сегодняосновным видом используемых в России энергопроизводителей.

Выбор места размещения тепловых электростанций определяется в основном наличием в данном регионе природных и топливных ресурсов. Мощные ТЭС строятся, как правило, в местах добычи топливных ресурсов или недалеко от крупных центров нефтеперерабатывающей промышленности. Тепловые электростанции, на которых в качестве топлива используются местные виды горючего (сланец, торф, низкокалорийные и многозольные угли), стараются размещать согласно потребности в электроэнергии и, в тоже время, с учётом наличия тех или иных видов топливных ресурсов. Электростанции, работающие на высококалорийном топливе, доставка которого к месту использования экономически целесообразна, размещаются обычно с учётом потребительского спроса на электроэнергию.

Гидроэлектростанции представляют собой специальные сооружения, возведённые в местах перекрытия больших рек плотиной и использующие энергию падающей воды для вращения турбин электрогенератора. Этот способ получения электроэнергии является наиболее экологичным, поскольку обходится без сжигания тех или иных видов топлива и не оставляет никаких вредных отходов после себя.

Атомные электростанции (АЭС) отличаются от тепловых лишь тем, что, если в ТЭС для нагрева воды и получения пара используется горючее топливо, то в АЭС источником нагрева воды служит энергия тепла, выделяемого в процессе ядерной реакции.

В настоящее время большую часть всей вырабатываемой в мире электроэнергии дают тепловые электростанции, мощность которых может составлять сотни тысяч и миллионы киловатт.

Для совместного и согласованного производства электроэнергии электростанции различного типа объединяют в энергосистемы. Объединение электростанций, а также самих энергосистем между собой позволяет снизить стоимость электроэнергии и гарантирует бесперебойность режима электроснабжения потребителя. Объясняется это тем, что производство и расходование электроэнергии происходят одновременно, и невозможно аккумулировать всю вырабатываемую энергию в каком-либо виде. Поэтому электростанции обязаны иметь определённый резерв по рабочей мощности, необходимый для того, чтобы быть способными в любой момент удовлетворить возросший спрос на электроэнергию со стороны потребителя (на возросшую нагрузку). А величина потребления (спроса на энергию) может резко колебаться при изменении режимов и условий работы потребителей.

В городах в зимний период, например, потребление электроэнергии резко возрастает, а летом - снижается. В сельском хозяйстве, напротив, электрические подстанции больше загружены именно летом, когда производятся сезонные полевые работы. Кроме того, максимальные нагрузки электростанций, расположенных на востоке и западе страны обычно не совпадают из-за разницы во времени. При коллективной работе электростанций они подпитывают друг друга, что обеспечивает их более равномерную загрузку и повышение КПД работы.

На электростанциях, не входящих в состав энергосистемы, не допускается применение мощных узлов по транспортировке и преобразованию электроэнергии. Объясняется это тем, что выход подобного узла из строя моментально парализует работу промышленных предприятий, обесточивает целые районы и грозит аварийной остановкой систем водоснабжения и т. п.

При объединении энергопроизводителей в энергосистемы нет оснований отказываться от таких мощных агрегатных узлов, поскольку нагрузку вышедшего из строя участка линии мгновенно подхватят оставшиеся в рабочем состоянии системы.

Наряду с традиционным способом получения электроэнергии с помощью электростанций всё большую популярность приобретают в последнее время альтернативные источники электроэнергии. К подобным источникам можно отнести, например, ветряные электрогенераторы, которые преобразуют природную силу ветра в электрический ток.

Всё большей популярностью в наше время пользуются и солнечные батареи, которые, в отличие от электрогенератора, используют принцип прямого преобразования энергии солнечных лучей в электрическую энергию (фотоэффект).

Три основных типа электростанций определяют виды используемых энергоресурсов. Их принято подразделять на первичные и вторичные, возобновляемые и невозобновляемые.

Первичные энергоносители – это сырьевые материалы в их естественной форме до проведения какой-либо технологической обработки, например каменный уголь, нефть, природный газ и урановая руда. В разговорной речи эти материалы называют просто первичной энергией. К таковой относятся также солнечное излучение, ветер, водные ресурсы. Вторичная энергия – это продукт переработки, «облагораживания» первичной, например бензин, мазут, ядерное топливо.

Некоторые виды ресурсов могут относительно быстро восстанавливаться в природе, они называются возобновляемыми: дрова, камыш, торф и прочие виды биотоплива, гидропотенциал рек. Ресурсы, не обладающие таким качеством, называются невозобновляемыми: уголь, сырая нефть, природный газ, нефтеносный сланец, урановая руда. По большей части они являются полезными ископаемыми. Энергия солнца, ветра, морских приливов относится к неисчерпаемым возобновляемым энергетическим ресурсам.

В настоящее время наиболее распространенным видом технологического топлива в мировой электроэнергетике выступает уголь. Это объясняется относительной дешевизной и широкой распространенностью запасов данного вида топлива. Однако транспортировка угля на значительные расстояния ведет к большим издержкам, что во многих случаях делает его использование нерентабельным. При производстве энергии с использованием угля высок уровень выброса в атмосферу загрязняющих веществ, что наносит существенный вред окружающей среде. В последние десятилетия ХХ в. появились технологии, позволяющие использовать уголь для производства электроэнергии с большей эффективностью и меньшим ущербом для окружающей среды.

Расширение использования газа в мировой электроэнергетике за последние годы объясняется существенным ростом его добычи, появлением высокоэффективных технологий производства электроэнергии, основанных на применении данного вида топлива, а также ужесточением политики по охране окружающей среды.

Все большее распространение получает использование урана. Это топливо обладает колоссальной эффективностью по сравнению с прочими сырьевыми источниками энергии. Однако применение радиоактивных веществ сопряжено с риском масштабного загрязнения окружающей среды в случае аварии. Кроме того, возведение АЭС и утилизация отработанного топлива чрезвычайно капиталоемки. Развитие этого вида энергетики осложняется и тем, что пока немногие страны могут обеспечить подготовку научных и технических специалистов, способных разработать технологии и обеспечить квалифицированную эксплуатацию АЭС.

Большое значение в структуре источников электроэнергии сохраняют гидроресурсы, хотя их доля за последние десятилетия несколько сократилась. Преимущества этого источника в его возобновляемости и относительной дешевизне. Но возведение гидростанций оказывает необратимое воздействие на окружающую среду, так как обычно требует затопления значительных территорий при создании водохранилищ. Кроме того, неравномерность распределения водных ресурсов на планете и зависимость от климатических условий ограничивают их гидроэнергетический потенциал.

Существенное сокращение использования нефти и нефтепродуктов для производства электроэнергии за последние тридцать лет объясняются как ростом стоимости данного вида топлива, высокой эффективностью его применения в других отраслях, так и дороговизной его транспортировки на значительные расстояния, а также возросшими требованиями к экологической безопасности.

Растет внимание к возобновляемым источникам энергии.В частности, активно разрабатываются технологии использования энергии солнца и ветра, потенциал которых огромен. Правда, на сегодняшний день использование солнечной энергии в промышленных масштабах в большинстве случаев оказывается менее эффективным по сравнению с традиционными видами ресурсов. Что касается энергии ветра, в развитых странах (прежде всего под влиянием экологических движений) ее применение в электроэнергетике значительно увеличилось. Нельзя не упомянуть также геотермальную энергию, которая может иметь серьезное значение для некоторых государств или отдельных регионов (Исландии, Новой Зеландии, в России – для Камчатки, Ставропольского и Краснодарского краев, Калининградской области). Развитие производства электроэнергии на основе возобновляемых ресурсов пока еще требует государственных дотаций.

В конце XX – начале XXI в. резко повысился интерес к биоэнергетическим ресурсам. В отдельных странах (например, в Бразилии) производство электроэнергии на биотопливе составило заметную долю в энергетическом балансе. В США была принята специальная программа субсидирования биотоплива. Но существуют и сомнения в перспективах данного направления электроэнергетики. Они касаются прежде всего эффективности использования таких природных ресурсов, как земля и вода; так, отвод обширных площадей пахотной земли под производство биотоплива внес свой вклад в удвоение цен на продовольственное зерно.