Электростанции как работают: Принцип работы ТЭЦ

Строительство солнечных тепловых электростанций (СТЭС), инжиниринг и поставки оборудования

Гелиотермальная энергетика получает признание во всем мире как одна из лидирующих инновационных технологий, направленных на переход от ископаемого топлива к чистым возобновляемым источникам электрической и тепловой энергии.

Коммерческое производство энергии с помощью гелиоконцентраторов становится энергетическим приоритетом для стран с высоким уровнем солнечной инсоляции, включая Испанию, Марокко, ОАЭ, Мексику и др.

Строительство солнечных тепловых электростанций (СТЭС) может стать ключом к устойчивому равновесию между социально-экономическим развитием и ответственным отношением к окружающей среде.

Благодаря государственной помощи в виде тарифов за вырабатываемую электроэнергию и налоговых вычетов на инвестиции СТЭС стали прибыльными системами, гарантирующими приемлемый уровень доходности для инвесторов.

Международная компания ESFC (Испания) предлагает комплексные услуги в области финансирования, строительства и модернизации СТЭС, предоставляя индивидуальные решения клиентам во многих странах мира.

Наша команда совместно с партнерами из Испании и других европейских стран готова предложить вам финансирование и строительство солнечных проектов на выгодных условиях.

Виды солнечных тепловых электростанций

Существует два основных пути использования солнечной энергии в коммерческих целях — фотоэлектрическая и гелиотермальная технология.

Последняя заключается в преобразовании энергии солнечных лучей в тепловую энергию теплоносителя, которая в дальнейшем используется для генерации электроэнергии с помощью циклов Ренкина, Брайтона и Стирлинга, включая отложенную генерацию. Уникальное преимущество данной технологии состоит в том, что теплоноситель может определенное время «хранить» энергию, обеспечивая более равномерную генерацию на протяжении суток.

Среди многочисленных технических решений для гелиоконцентраторов, параболоцилиндрические зеркальные концентраторы для преобразования солнечного излучения в тепловую энергию считаются самой зрелой и эффективной технологией.

Остальные технологии, у которых может быть многообещающее будущее, пока рассматриваются как экспериментальные, поэтому найти финансирование для этих проектов довольно сложно.

Около десяти солнечных тепловых технологий вышли за рамки научных и исследовательских работ и уже стали основой для мультимегаваттных СТЭС, установленная мощность которых во многих случаях исчисляется сотнями мегаватт.

Классификация современных солнечных тепловых электростанций:

• Гелиоконцентраторы с параболическим желобом.

• Гелиоконцентраторы с параболическом желобом и интегрированной технологией накоплением тепла с использованием неорганических солей.

• СТЭС с линейными френелевскими концентраторами.

• Башенные гелиоконцентраторы с прямым генерированием пара.

• Башенные гелиоконцентраторы с технологией накопления тепла на основе солей.

• Параболические дисковые установки, оснащенные двигателем Стирлинга.

• Гибридные СТЭС, совмещенные с газовым котлом для ископаемого топлива.

• Гибридные СТЭС, совмещенные с твердотопливным котлом для биомассы.

• Гибридные СТЭС с использованием параболических желобов, совмещенных с парогазовыми установками комбинированного цикла.

Технология, основанная на концентрировании солнечной энергии вдоль трубы с теплоносителем с помощью длинных параболических желобов, активно изучается в США примерно с 1980-х годов.

На данном принципе была построена гигантская система SEGS (Solar Energy Generating System) в пустыне Мохаве, штат Калифорния.

Благодаря SEGS исследователи накопили десятки тысяч часов практического опыта, чтобы довести технологию параболоцилиндрических концентраторов до ее нынешнего состояния. Ни одна другая технология не была так хорошо изучена. Это является одной и причин, по которой большинство инвесторов делают выбор в пользу строительства СТЭС этого типа, несмотря на общеизвестные недостатки и опасности (например, использование теплоносителя на основе ароматических углеводородов).

В целом, существует две большие группы гелиоконцентраторов.

Первая группа установок концентрирует солнечную тепловую энергию вдоль линии, а вторая направляет лучи в одну точку, достигая гораздо более высокой локальной температуры. Эта группа СТЭС использует концентраторы с параболическим желобом или зеркала Френеля.

Вторая группа установок, которая работает с высокой температурой и регулирует направление лучей сразу по двум осям, использует или центральную башню, или двигатели Стирлинга. В наиболее продвинутых установках можно накапливать тепловую энергию, чтобы потом в подходящий момент преобразовать ее в электричество.

Также существуют гибридные солнечные тепловые электростанции, которые одновременно используют энергию солнца с ископаемым топливом либо биомассой. Эти инжиниринговые решения существенно расширяют перечень возможностей для инвесторов.

СТЭС с параболическим желобом: оборудование и технологии

На долю параболических концентраторов в настоящее время приходится 80-90% всех построенных на планете СТЭС, что делает указанную технологию наиболее изученной, надежной, предсказуемой и относительно доступной.

Примером солнечной тепловой электростанции на параболических концентраторах может служить современная CSNP Royal Tech Urat 100MW (Китай), подключенная к электрической сети в январе 2020 года.

Многочисленные электростанции этого типа эксплуатируют в Испании, Соединенных Штатах и ряде других стран.

Принцип действия подобных гелиоконцентраторов состоит в последовательном нагревании теплоносителя вдоль прямой линии длиной несколько сотен метров. Жидкий теплоноситель переносит тепловую энергию, захваченную параболическими зеркалами. Нагретая до высокой температуры жидкость затем используется для генерации пара и приведения в действие паротурбинной группы.

Цикл жидкого теплоносителя

Используемая текучая среда может быть водой, но в настоящее время не решены проблемы, связанные с испарением, которое могло бы происходить в промежуточной точке маршрута.

По этой причине выбор других жидкостей, которые не изменяют агрегатное состояние между одним концом и другим концом трубопровода, на которой сосредоточено солнечное излучение, является наиболее предпочтительным.

Из всех возможных жидкостей синтетические органические теплоносители демонстрируют наибольшие преимущества. Среди них выделяется эвтектическая смесь из дифенилоксида и бифенила. Эта смесь представляет собой наилучший компромисс между стоимостью и производительностью, хотя при обращении с ней могут возникнуть большие трудности, которые негативно влияют на результаты работы гелиоконцентраторов.

Поиск оптимального баланса между стоимостью и техническими характеристиками вынуждает инжиниринговые компании искать новые решения и оригинальные подходы при проектировании и строительстве солнечных тепловых электростанций данного типа.

Так, большое внимание уделяется сегодня повышению экологической безопасности и простоте эксплуатации и технического обслуживания подобных объектов.

После прохождения через параболоконцентрические зеркала теплоноситель нагревается до температуры около 380-390ºC. Это вполне безопасные значения, поскольку при нагревании выше 400ºC используемые ароматические углеводороды разлагаются. Разложение углеводородного теплоносителя на тяжелые и летучие фракции нарушают работу гелиоконцентратора и создают проблемы с безопасностью.

Независимо от режима работы параболического концентратора, система требует поставки специального оборудования для качественной очистки теплоносителя от любых продуктов разложения, обычно с использованием последовательной фильтрации и дистилляции.

Солнечное поле

Поле параболоцилиндрических концентраторов, также называемое солнечным полем, представляет собой обширный участок площадью до нескольких гектаров на каждый мегаватт установленной мощности, где установлены параболические зеркала.

Строительство СТЭС установленной мощностью 100 МВт может потребовать примерно 200 гектаров земли только для размещения концентраторов, не учитывая вспомогательного оборудования.

Коллекторные модули должны иметь идеальную форму и размеру, чтобы максимально эффективно концентрировать солнечное излучение на трубопроводе с теплоносителем. Они состоят из отражающих зеркал, поглотительной трубки и опор, которые фиксируют всю эту конструкцию в наиболее выгодном положении по отношению к солнцу.

Модули собраны в группы, которые перемещаются вместе, так что солнечное излучение всегда падает максимально перпендикулярно поверхности модуля. Несколько коллекторов соединяются последовательно, образуя стандартные контуры.

Крупная СТЭС может состоять из нескольких сотен таких независимых контуров, соединенных в общую систему.

Контур парогенератора

Тепло, поглощаемое теплоносителем, передается в водяной контур для производства пара.

Эта вода, которая была нагнетена в многоступенчатом центробежном насосе до давления от 50 до 100 бар, испаряется и нагревается примерно до 380°C, а HTF охлаждается и подготавливается к повторному использованию.

Охлажденный теплоноситель возвращается в солнечное поле, чтобы продолжить перенос энергии, захваченной параболическими концентраторами. Оборудование, которое отвечает за теплообмен между теплоносителем и пароводяным циклом, представляет собой кожухотрубные теплообменники больших размеров.

Инженерное проектирование парогенераторов для солнечных тепловых электростанций сегодня представляет собой сложную практическую задачу, поскольку инженерам нужно учитывать многочисленные риски и оптимизировать обслуживание оборудования.

В настоящее время каждый элемент СТЭС требует наличия специализированных команд по техническому обслуживанию и ремонту, что связано с дополнительными затратами.

По этой причине качественное проектирование и поставка надежного оборудования критически важно для успеха всего проекта.

Паровая турбина

Паровая турбина представляет собой один из ключевых элементов любой электростанции, преобразующей тепловую энергию пара в электричество. СТЭС не является исключением.

Образующийся пар направляется в паровую турбину, где происходит очередное преобразование энергии.

Энергия, содержащаяся в паре под высоким давлением (потенциальная энергия), преобразуется во механическую энергию вращения вала паровой турбины. Газовые турбины при этом использовать сложно, учитывая низкую температуру пара (380ºC). КПД процесса колеблется от 30% до 45%, в зависимости от нагрузки (более высокая производительность достигается при более высокой нагрузке) и достигает максимального значения при 100% мощности.

Правильный выбор паровой турбины на этапе инженерного проектирования СТЭС играет важную роль, поскольку каждый объект строится в расчете на четко определенные условия эксплуатации, уровень нагрузки и др.

Пароконденсатор

Пар, выходящий из турбины, является бесполезным, не способным выполнять механическую работу.

Его температура составляет менее 50ºC, а абсолютное давление ниже атмосферного.

По сути, отработанный пар на выходе из турбины представляет собой поток чистой деминерализованной воды, которую можно сконденсировать и вернуть в рабочий цикл.

Пароконденсаторы для солнечных тепловых электростанций выполняют такие задачи:

• Отработанный пар восстанавливается для повторного использования воды.

• Конденсатор создает низкое давление, благодаря чему заметно увеличивается общая производительность и мощность турбинной группы.

• Обеспечивается достаточное нагнетание жидкости перед подачей в котел, что является более энергоэффективным процессом по сравнению со сжатием пара.

Чтобы обеспечить конденсацию отработанного пара, нужно ввести в систему новую жидкость низкой температуры или холодный воздух для осуществления теплообмена.

При этом следует помнить, что процессы испарения и конденсации требуют подачи или отвода значительного количества тепла и, соответственно, достаточного притока воды.

При использовании воды пароконденсаторы мощных СТЭС могут потреблять от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов кубометров воды в год. Следовательно, строительство подобных объектов вдали от природных источников воды нецелесообразно.

При строительстве солнечной теплоэлектростанции в засушливых районах инженеры используют воздушное охлаждение, при котором тепло отработанного пара передается непосредственно в окружающий воздух. Это менее эффективный и более дорогой способ конденсации, поэтому он используется только в том случае, если нет других альтернатив.

Генератор и подстанция

На последней стадии цикла механическая энергия вращающегося вала паровой турбины требует преобразования в электрическую энергию.

Это преобразование осуществляется в электрогенераторе, который считается эффективным и надежным оборудованием.

Вырабатываемая электроэнергия передается в электросеть по высоковольтным линиям электропередачи.

Данные линии могут быть надземными или подземными, что требует строительства и монтажа ряда специальных элементов:

• Трансформаторная подстанция для повышения напряжения. Важно учитывать, что генерация осуществляется при самом благоприятном для генератора напряжении, а транспортировка осуществляется при напряжении, минимизирующем потери.

• Электрическая защита, гарантирующая, что генератор и электрическая сеть находятся в надлежащих условиях для стабильной безаварийной работы. Она включает системы заземления, в которые должны передаваться токи короткого замыкания.

• Контрольно-измерительное оборудование, которое информирует электрические системы защиты о значениях напряжения и тока в режиме реального времени.

Компания ESFC с партнерами занимается финансированием и строительством электрических подстанций под ключ.

Реализовано много проектов в разных уголках мира и получен бесценный опыт который всегда пригодится для продвижения вашего бизнеса.

Поставки оборудования для СТЭС включают выбор, заказ, доставку и профессиональный монтаж генераторов, трансформаторов, паровых турбин, элементов трубопровода, систем очистки теплоносителя и других частей.

Солнечные тепловые электростанции с центральным приемником

СТЭС с центральным приемником (в том числе так называемые установки башенного типа) состоят из из ряда больших зеркал, расположенных вокруг башни, называемых гелиостатами.

У каждого из гелиостатов устанавливается независимый двигатель, который позволяет ориентировать его так, чтобы отраженный системой солнечный луч концентрировался в определенной точке на вершине башни.

Центральный приемник отвечает за преобразование концентрированного излучения в тепло, передавая его теплоносителю, в роли которого может быть воздух, вода или неорганические соли. Этот теплоноситель может использоваться непосредственно для преобразования воды в пар, а также для повышения производительности газовой турбины путем нагрева всасываемого воздуха до входа в камеру сгорания.

Если жидким теплоносителем является вода, центральные приемные установки нагревают и испаряют жидкость, ранее введенную под давлением в приемник, для производства пара при определенном давлении и температуре. Затем этот пар расширяется в паровой турбине, следуя общим принципам любой термоэлектрической установки.

Когда установка работает в нормальном режиме, неорганические соли первоначально хранятся при температуре около 290ºC в большом изолированном резервуаре, который пытается поддерживать их при этой температуре.

Вертикальный центробежный насос перемещает соли из резервуара в приемник, расположенный наверху башни.

Жидкий теплоноситель, приводимый в движение насосами, перемещается из резервуара для холодной соли в приемник наверху башни, где температура увеличивается примерно до 560-600ºC. Там жидкость хранится, пока не будет использована для генерации пара.

Данная технология позволяет СТЭС обеспечить относительно равномерную генерацию электроэнергии на протяжении суток, независимо от интенсивности солнечных лучей.

Гелиостаты

Солнечное излучение улавливается плоскими зеркалами, смонтированными на подвижной конструкции.

Комплекс, образованный зеркалами, металлическими опорами и системами их ориентации, называется гелиостатом. Функция гелиостата в том, чтобы отражать солнечный свет, направляя его в принимающую точку на центральной башне.

Такие зеркала имеют коэффициент отражения примерно 95%.

На небольшой площади, занимаемой приемником, можно сконцентрировать примерно 98% попадающего на него излучения.

При инженерном проектировании СТЭС важно правильно выбрать несущую конструкцию, которая должна выдерживать вес двигателя и зеркал, обеспечивая беспрецедентную надежность при любых ветровых нагрузках.

Центральный приемник (башня)

Одним из ключевых компонентов башенных солнечных тепловых электростанций является полая коробка, расположенная в верхней части башни.

Из-за крайне высокой температуры и градиентов, тесно связанных с характеристиками термодинамического цикла, нынешние исследования в основном сосредоточены на выборе материалов и оптимальном расположении приемника.

Центральный приемник отвечает за преобразование энергии солнечного излучения в тепловую энергию. В нем используется серия трубок, охлаждаемых жидким теплоносителем, в которые будет передана часть поглощенной энергии. Трубки, как правило, металлические, обычно изготавливаются из нержавеющей стали, а снаружи они имеют селективное покрытие, способное поглощать значительную часть излучения в видимом и ультрафиолетовом спектре и минимально излучать в инфракрасном спектре.

Преимущества башенных СТЭС

Преимущества башенных установок с теплоаккумулятором заключаются в высокой гибкости, управляемости и надежности таких установок.

Среди преимуществ, которые они предлагают по сравнению с другими солнечными технологиями, можно выделить следующие:

• Возможность хранения большого количества энергии.

• Использование одного и того же теплоносителя для получения и хранения энергии, что упрощает систему и улучшает экономические показатели объекта.

• Высокая температура теплоносителя по сравнению с альтернативными технологиями, что способствует существенному повышению эффективности пароводяного цикла.

• Жидкий теплоноситель (расплавленные соли) циркулирует через четко ограниченную область с более высокой эффективностью, чем в параболических системах.

• Слив HTF из трубопроводов осуществляется самотеком, когда установка не работает, без необходимости в установке дополнительного насосного оборудования.

Ярким примером башенной СТЭС является электростанция Нур Уарзазат (Noor Ouarzazate CSP), которая поэтапно вводится в эксплуатацию с 2016 года.

Это самая большая на планете электростанция данного типа, которая была спроектирована для экстремальных условий пустыни.

Солнечные тепловые электростанции для хранения энергии

Одна из серьезных проблем возобновляемой энергетики, в которой используют методы, в значительной степени зависящие от погодных условий — сложность получения энергии в определенные моменты времени, когда она необходима.

Генерация происходит при благоприятных условиях, а не на пике потребления.

Как только электрическая энергия поступает в электросеть, она должна немедленно потребляться. Поскольку хранить электрическую энергию как таковую крайне дорого, поэтому в идеале производство и потребление должны совпадать.

Эту проблему можно было бы решить, если бы энергия могла вырабатываться при благоприятных условиях и потребляться при необходимости.

Это означает строительство «хранилища» энергии, который позволяет согласовывать ритмы производства и спроса.

Поскольку накопление электрической энергии в больших масштабах представляет собой ряд проблем, которые наука еще не решила, традиционно применяются другие виды накопления энергии с использованием, например, разницы давления или температуры.

Например, гидроаккумулирующие электростанции прибегают к хранению запруженной воды, чтобы осушать водохранилища и использовать воду в наиболее подходящее время.

Технологии хранения энергии в гелиотермальной энергетике

В солнечных тепловых электростанциях используются различные возможности хранения, но энергия всегда запасается в форме тепла для дальнейшего производства электричества.

Хотя изучаются другие возможности, технология, которая считается зрелой и успешно прошла испытания на некоторых существующих СТЭС — это хранение энергии с использованием расплавленных неорганических солей.

Таблица: некоторые технологии для хранения тепловой энергии.

Технология	Краткое описание
Хранение горячего теплоносителя (HTF)	Эта технология была успешно испытана на американской электростанции SEGS I с большим резервуаром, в котором хранился HTF из солнечного поля. После сильного пожара, который практически уничтожил объект, было обнаружено, что хранение горючего вещества при высоких температурах нецелесообразно. Кроме того, стоимость теплоносителя намного выше, чем неорганических солей.
Хранение тепловой энергии в горячем затвердевшем бетоне	Горячая жидкость может нагревать большую массу затвердевшего бетона через трубопроводы, предназначенные для этой цели. При необходимости холодная жидкость, вода, пар или HTF подаются по тем же каналам, так что тепловая энергия, хранящаяся в бетоне, возвращается к жидкости.
Хранение в виде скрытой теплоты затвердевания неорганических солей.	Важным преимуществом технологии является то, что соли не нужно постоянно перекачивать по трубопроводу. Это снижает расходы на эксплуатацию. Количество соли, необходимой для хранения энергии, относительно небольшое.
Хранение энергии в виде расплавленных солей	Некоторые объекты используют технологию хранения энергии с использованием расплавленных солей в одном резервуаре, так что холодные и горячие соли разделяются благодаря разнице в их плотности.

Инженеры используют инновационные технологии и материалы, которые сводят к минимуму теплопотери и обеспечивают эффективную передачу энергии для производства электрической энергии на всех этапах технологического процесса.

Гибридизация гелиотермальных установок с ископаемым топливом

Сегодня чрезвычайно сложно делать надежный прогноз погоды и прогнозировать выработку электроэнергии солнечной тепловой электростанцией.

С самого начала строительства первых электростанций SEGS в Калифорнии исследуется возможность включения в систему вспомогательного котла на ископаемом топливе.

Хранить электрическую энергию в больших количествах сложно, поэтому производство и потребление энергии должны точно совпадать по времени. В противном случае возникат определенные дисбалансы в электросети, которые могут привести к отключению электроснабжения отдельных предприятий и целых регионов.

Хотя некоторые эксперты считают, что солнечные тепловые электростанции обязательно должны иметь систему хранения тепла, которая позволяла бы регулировать производство независимо от интенсивности солнечного излучения, это слишком дорого.

Интеграция вспомогательного котла, который работает на природном газе или же биомассе, предусмотрена в действующих нормах Испании и ряда других стран. То есть предполагается, что СТЭС должны быть максимально независимыми от природных условий. Более того, котлы обеспечивают необходимое тепло для предотвращения замерзания теплоносителя, которая составляет около +12ºC.

Преимущества гибридизации с биомассой

Солнечные тепловые электростанции без оборудования для аккумулирования тепла и без вспомогательного котла на природном газе могут работать от 2000 до 3000 эквивалентных часов ежегодно, то есть порядка 60-75% часов в году установки стоят без дела.

Многомиллионные инвестиции простаивают, хотя существуют жизнеспособные способы вырабатывать электроэнергию из других источников. Энергетические объекты, строящиеся в районах с развитым сельским хозяйством, могут использовать сжигание биомассы.

Оборудование СТЭС котлом, работающим на биомассе, представляет собой безусловно привлекательную возможность для инвесторов в Южной Европе и других частях планеты.

Преимущества гибридизации с комбинированным циклом

Солнечные тепловые электростанции во многих случаях работают с применением хорошо известного теплового цикла Ренкина.

Конечно, как только излучение было преобразовано в потенциальную энергию горячего пара, его легко смешать с паром, генерируемым из дополнительных источников, и совместно привести в действие турбину.

Установки, способные смешивать пар, генерируемый с помощью солнечного поля и с помощью котла-утилизатора выхлопных газов газовой турбины, называются электростанциями ISCC (Integrated Solar Combined Cycle).

Ископаемое топливо имеет много недостатков, зато у ISCC есть два важных преимущества. Это невысокая стоимость производства электроэнергии, и возможность плавной регуляции мощности в любое время, чтобы соответствовать текущей нагрузке.

Инжиниринговые услуги обычно включают поставки оборудования для солнечных тепловых электростанций, инженерное проектирование и строительство СТЭС под ключ по EPC контрактам.

Свяжитесь с нашими представителями, чтобы узнать больше о наших услугах финансирования и реализации проектов.

Ветряные электростанции ВЭУ

Ветряные электростанции — принцип работы

Ветряные электростанции производят электричество за счет энергии перемещающихся воздушных масс — ветра. Для ветряных электростанций с горизонтальной осью вращения минимальная скорость ветра составляет:

• 4-5 м/сек — при мощности >= 200 кВт
• 2-3 м/сек — если мощность <= 100 кВт.

Ветроэлектростанция  —  это  мачта, наверху которой размещается контейнер с генератором и редуктором. К оси редуктора ветряной электростанции прикреплены лопасти. Контейнер электростанции поворачивается в зависимости от направления ветра.

Ветряные электростанции с вертикальной осью вращения менее популярны. Сам генератор находится под мачтой, и главное, необходимость ориентации на ветер отсутствует. Ветряные электростанции с вертикальной осью вращения требуют для стабильной работы более высоких скоростей ветра и предварительного запуска от внешнего источника энергии.

Ветряные электростанции — основные проблемы

Основную проблему ветряных электростанций вызывает непостоянная природа ветра. При этом мощность ветряных электростанций в каждый момент времени переменна. Невозможно иметь от одной ветроэлектростанции стабильное поступление определенных объемов электроэнергии.

Ветряные электростанции имеют аккумуляторы для накопления электроэнергии,  для более равномерной и стабильной работы системы. По этой же причине возникает необходимость объединения ветряных электростанций в энергосистемы и комплексы с иными способами получения электроэнергии. Это, прежде всего газовые генераторы, микротурбины, солнечные электростанции — батареи на фотоэлементах.

Ветряные электростанции — преимущества

• Ветряные электростанции не загрязняют окружающую среду вредными выбросами.
• Ветровая энергия, при определенных условиях может конкурировать с невозобновляемыми энергоисточниками.
• Источник энергии ветра — природа — неисчерпаема.

Как самому сделать ветрогенератор?

Ветряные электростанции — недостатки

• Ветер от природы нестабилен, с усилениями и ослаблениями. Это затрудняет использование ветровой энергии. Поиск технических решений, которые позволили бы компенсировать этот недостаток — главная задача при создании ветряных электростанций.
• Качественные ветрогенераторы очень дороги и практически неокупаемы.
• Ветряные электростанции создают вредные для человека шумы в различных звуковых спектрах. Обычно ветряные установки строятся на таком расстоянии от жилых зданий, чтобы шум не превышал 35-45 децибел.
• Ветряные электростанции создают помехи телевидению и различным системам связи. Применение ветряных установок — в Европе их более 26 000, позволяет считать, что это явление не имеет определяющего значения в развитии альтернативной электроэнергетики.
• Ветряные электростанции причиняют вред птицам, если размещаются на путях миграции и гнездования.

Ветряные электростанции — производители — мировые лидеры

• VESTAS
• NORDEX
• PANASONIC
• VERGNET
• ECOTECNIA
• SUPERWIND

Ветряные электростанции — география применения

Ветроэлектростанции применяются в странах, имеющих подходящие скорости ветра, невысокий рельеф местности и испытывающих дефицит природных ресурсов. Мировым лидером в использовании ветряных электростанций является Германия, в которой за небольшой промежуток времени построено ~9000 МВт мощности.

Единичная мощность ветроэлектрических станций увеличилась до 3 МВт. В Германии продолжается интенсивное строительство ветряных электростанций. Производство ветряных электростанций стало значительной частью экспорта Дании и Германии.

Производство ветряных электростанций обеспечило работой в Европе 60 000 человек. За рубежом приняты постановления на государственном уровне, содействующие внедрению возобновляемых источников энергии.

Ветряные электростанции в России

В России, за последние десятилетие, построено и пущено в эксплуатацию лишь несколько ветряных электростанций.

В Башкортостане установлены четыре ветряных электростанции мощностью по 550 кВт.

В Калининградской области, смонтировано 19 установок. Мощность парка ветряных электростанций составляет ~5 МВт.

На Командорских островах возведены две ветротурбины по 250 кВт.

В Мурманске вошла в строй ветроустановка мощностью 200 кВт.

Но совокупная мощность ветроэлектростанций России не превысила в 2004 году 12 МВт.  

Российская Федерация — это страна с большой территорией, расположенной в разных климатических зонах, что определяет высокий потенциал использования ветряных электростанций. Технический потенциал составляет более 6200 миллиардов киловатт часов, или в 6 раз превышает всё современное производство электроэнергии в нашей стране.

Как самому сделать ветрогенератор?

Как работают электростанции?

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 25 октября 2021 г.

Не так давно алхимики мечтали стать дешевыми и уродливыми
металлы в ценные, такие как золото. Силовые установки (также называемые
электростанции) проворачивают аналогичный трюк, превращая куски угля и капли масла в
электрический ток, которым можно приготовить обед или зарядить телефон. Если
если бы не электростанции я бы не писал эти слова
сейчас — и вы бы их не читали. На самом деле, большинство вещей
мы делаем каждый день, и многое из того, что мы используем, имеет скрытый долг
благодарность этим гигантским энергетическим фабрикам, которые превращают
«ископаемое топливо» (уголь, природный газ и нефть) в электроэнергию.

Эта энергетическая алхимия — довольно удивительный трюк — и совсем недавно
тоже, так как самая первая действующая электростанция была построена в
только 1882 г. (Томас Эдисон). Однако изумление часто бывает последним, что мы чувствуем, когда
подумайте о производстве электроэнергии в начале 21 века. В эпоху, когда
забота об окружающей среде (совершенно справедливо) важнее, чем
когда-нибудь модно насмехаться над электростанциями, как над злыми, грязными местами
закачка загрязнений в наш воздух, землю и воду. Однажды мы могли бы быть
в состоянии сделать все наше электричество абсолютно чистым и зеленым способом.
До тех пор электростанции жизненно важны для поддержания наших школ,
больницы, дома и офисы светлые, теплые и кипят жизнью;
современная жизнь была бы невозможна без них. Как они работают? Давайте
посмотри внимательнее!

Фото: Типичная электростанция, работающая на ископаемом топливе, в Дидкоте, Англия. Первоначально это были две отдельные электростанции: старая работала на угле и нефти, а новая работала на природном газе. Работает только газовая установка. Обратите внимание на градирни справа и опоры и линии электропередач слева.

Содержимое

1. Волшебная наука об электростанциях
2. Шаг за шагом: Как работает электростанция?
3. Типы силовых установок
4. Как электричество попадает в ваш дом
5. Как работает электросеть
6. Что ждет электростанции в будущем?
7. Узнать больше

Волшебная наука об электростанциях

Одна крупная электростанция может производить достаточно электроэнергии (около 2
гигаватт, 2 000 мегаватт или 2 000 000 000 ватт) для обеспечения
пара сотен тысяч домов, и это столько же энергии
вы могли бы сделать около 1000 больших ветряных турбин
работает на износ. Но великолепная наука, стоящая за этим удивительным трюком, имеет меньшее отношение к силовой установке.
чем с топливо оно горит. Настоящая магия не в этом
электростанции превращают топливо в электричество: дело в том, что даже небольшое количество
ископаемого топлива содержат большое количество энергии. Килограмм угля
или литр масла содержит около 30 МДж энергии — огромное количество,
эквивалентно нескольким тысячам 1,5-вольтовых батарей! Работа электростанции
состоит в том, чтобы высвободить эту химическую энергию в виде тепла, использовать тепло для приведения в действие
вращающаяся машина, называемая турбиной, а затем используйте турбину для питания
генератор (машина для производства электроэнергии). Электростанции могут сделать так
много энергии, потому что они сжигают огромное количество топлива, и каждый
немного этого топлива наполнено силой.

К сожалению, большинство электростанций не очень эффективны: на типичной старой электростанции, работающей на угле, только около трети энергии, заключенной в топливе, преобразуется в электричество, а остальная часть тратится впустую. Более новые конструкции, такие как электростанции с комбинированным циклом (которые мы рассмотрим через минуту), могут иметь КПД до 50 процентов. Как показывает приведенная здесь диаграмма, на пути от электростанции до вашего дома тратится еще больше электроэнергии. Если сложить все потери вместе, то только пятая часть энергии топлива будет доступна в качестве полезной энергии в вашем доме.

Таблица: Крупные централизованные электростанции, работающие на ископаемом топливе, очень неэффективны, тратя около двух третей энергии топлива. Вот типичный сценарий: около 62 процентов тепла теряется на самой станции в виде отработанного тепла. Еще 4 процента исчезают в линиях электропередач и трансформаторах, которые передают электричество от электростанции к вашему дому. Как только электричество подается, ваша бытовая техника тратит впустую еще 13 процентов. В целом, только 22 процента исходной энергии топлива (зеленый фрагмент) превращается в энергию, которую вы действительно можете использовать. Источник: Цифры из книги «Децентрализация власти: энергетическая революция 21 века», Гринпис, 2005 г.

Типы электростанций

Паровая турбина

Большинство традиционных электростанций производят энергию путем сжигания топлива для
выпуск тепло . По этой причине они называются термальными .
(тепловые) электростанции. Угольные и масляные заводы работают так же, как я
показано на рисунке выше, сжигание топлива с кислородом для выделения тепла
энергия, которая кипятит воду и приводит в действие паровую турбину. Этот
базовую схему иногда называют простым циклом .

Фото: Отличная модель паровой турбины и электрогенератора в разрезе. Пар поступает в турбину через огромные серые трубы наверху, вращая турбину, похожую на ветряную мельницу, посередине. Когда турбина вращается, она вращает подключенный к ней генератор электроэнергии (синий цилиндр, который вы можете видеть справа). Эта модель живет в Think Tank, музее науки и техники в Бирмингеме, Англия.

Газовая турбина

Установки, работающие на природном газе, работают немного по-другому.
похоже на то, как работает реактивный двигатель. Вместо того, чтобы производить пар, они горят
постоянный поток газа и использовать его для привода турбины немного другой конструкции (называемой газовой турбиной )
вместо.

Фото: The
Электростанция McNeil в Берлингтоне, штат Вермонт, сжигает древесное топливо (коричневое, слева) в газовой турбине, вырабатывая скромные 50 мегаватт электроэнергии, которых достаточно для местного города. Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/NREL (Министерство энергетики США/Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии).

Комбинированные конструкции

Каждая когда-либо построенная электростанция преследовала одну главную цель:
как можно больше полезной электроэнергии из своего топлива, другими словами,
быть максимально эффективным. Когда реактивные двигатели кричат ​​через
небо стреляет горячими газами, как ракетные струи, они тратят впустую
энергия. Мы мало что можем сказать об этом в самолете, но мы можем сделать
что-то об этом на электростанции. Мы можем взять горячий выхлоп
газы, поступающие из газовой турбины, и использовать их для питания паровой турбины.
а также в том, что называется комбинированный цикл . Это позволяет нам
производить на 50 процентов больше электроэнергии из топлива по сравнению с
на обычную, простую циклическую установку. В качестве альтернативы мы можем улучшить
КПД электростанции за счет пропускания отработанных газов через теплообменник
теплообменник, поэтому вместо этого они нагревают воду. Эта конструкция называется
комбинированное производство тепла и электроэнергии (ТЭЦ)
или когенерация, и она быстро становится одной из самых популярных конструкций (она также может быть
используется для очень мелкосерийного производства электроэнергии в единицах примерно одинаковых
размер как автомобильный двигатель).

Атомная

Атомные электростанции работают аналогично угольным или
масляные растения, но вместо того, чтобы сжигать топливо, они разбивают атомы на
выделять тепловую энергию. Он используется для кипячения воды, производства пара и
питание паровой турбины и генератора обычным способом. Для большего
подробности читайте в нашей основной статье о том, как работают атомные электростанции.

Hydro

Хотя все эти типы электростанций в основном тепловые
(выработка и выделение тепла для привода паровой или газовой турбины), два
другие очень распространенные типы вообще не используют никакого тепла. гидроэлектростанция
гидроаккумулирующие установки предназначены для перекачки огромного количества
вода мимо огромных водяных турбин (думайте о них как об очень эффективных
водяные колеса), которые напрямую приводят в действие генераторы. В гидроэлектростанция
завод , реку заставляют отступать за огромной бетонной дамбой.
вода может выходить через относительно небольшое отверстие в плотине, называемое
напорный трубопровод , и при этом он заставляет вращаться одну или несколько турбин
около. Пока течет река, крутятся турбины и плотина
вырабатывает гидроэлектроэнергию. Хотя они не производят загрязнения или
выбросы, гидроэлектростанции очень вредны в других отношениях: они ухудшают
реки, блокируя их течение, и они затапливают огромные территории, вынуждая многих людей
из своих домов (плотина «Три ущелья» в Китае привела к перемещению примерно 1,2 миллиона человек).

Гидроаккумулятор вырабатывает электроэнергию аналогично
гидроэлектростанции, но перекачивает одну и ту же воду туда и обратно между озером, расположенным выше, и озером, расположенным ниже. Во времена
пиковый спрос, вода может стекать из высокогорного озера в
нижний, генерирующий электроэнергию по высокой цене. Когда спрос
ниже, посреди ночи, вода снова закачивается обратно
от низкого озера к высокому с использованием низкотарифной электроэнергии. Так накачан
хранение на самом деле способ воспользоваться преимуществами электричества
в некоторые моменты стоит больше, чем в другие.

Фото: ГЭС МакНэри в Орегоне вырабатывает 980 мегаватт электроэнергии, когда через нее проходит вода
его турбины. Фото Дэвида Хикса предоставлено Министерством энергетики США/NREL (Министерство энергетики США/Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии).

Как электричество попадает в ваш дом

Одним из преимуществ электричества является то, что мы можем его производить
практически в любом месте и передавать его на огромные расстояния по линиям электропередач в
наши дома. Это позволяет нам снабжать энергией огромные города без
строительство огромных грязных электростанций прямо посреди них или
размещать электростанции там, где есть удобные залежи угля или
реки с быстрым течением, чтобы питать их. Теперь требуется энергия, чтобы послать
электрический ток по проводу, потому что даже самые лучшие провода, сделанные
из таких веществ, как золото, серебро и медь, имеют то, что называется
сопротивление — они препятствуют потоку электричества.
чем длиннее провод, тем больше сопротивление и тем больше энергии
это впустую. Таким образом, вы можете подумать, что отправка электроэнергии чрезвычайно
длинные силовые кабели были бы очень глупым и расточительным занятием.

Однако есть простой способ обойти это. Оказывается, чем больше текущий ток
через провод, тем больше энергии теряется. Превратив в текущий
как можно меньше, мы можем свести энергию к минимуму — и мы
что, сделав напряжение как можно большим. Электростанции производят электричество на чем-то
как 14 000 вольт, но они используют трансформаторы (повышение напряжения или
понижающие устройства) для «подъема» напряжения на что-либо от
от трех до пятидесяти раз, примерно до 44 000–750 000
вольт, прежде чем отправить его по линиям электропередач в города и поселки
где это будет потребляться. Как правило, мощность передается в течение длительного времени.
расстояния с использованием ВЛ, натянутых между опорными рамами
позвонил пилоны ; это гораздо быстрее и дешевле, чем закапывать линии под землю,
что обычно делается в городах. Поставка пилонов
подстанций , которые фактически являются мини-точками снабжения, предназначенными для питания, возможно,
крупная фабрика или небольшой жилой район. Подстанция использует
«понижающие» трансформаторы для преобразования высоковольтной электроэнергии
от линии электропередач к одному или нескольким более низким напряжениям, подходящим для
фабрики, офисы, дома или что-то еще, что он должен поставлять.

Фото: Слева: Трансформаторы линии электропередач. Справа: линия передачи
(пилон).

Как работает электросеть

Подстанции получили свое название со времен, когда электростанции снабжали очень четко определенные локальные области:
каждая станция питала ряд близлежащих подстанций, которые передавали
Включите питание домов и других зданий. Беда с этим
договоренность заключается в том, что если электростанция внезапно выйдет из строя, многие дома
приходится обходиться без электричества. Есть и другие проблемы с запуском
электростанции самостоятельно. Одна электростанция могла бы производить
электричество очень дешево (возможно, потому, что оно очень новое и использует
природный газ), а другой (по старой технологии на основе угля)
может быть намного дороже, поэтому, возможно, имеет смысл использовать
более дешевая станция, когда это возможно. К сожалению, электростанции не похожи на автомобили.
двигатели: они должны работать все время; как правило, они не могут начать и
останавливаться вообще, когда мы этого хотим. По этим и ряду других причин,
коммунальные предприятия пришли к выводу, что имеет смысл подключить все
их электростанции в обширную сеть, называемую сетка . Очень
сложные компьютеризированные центры управления используются для поднятия или
снизить производительность станций, чтобы соответствовать спросу с минуты на
минуту и ​​час за часом (таким образом, больше станций будет работать в полную силу в
вечер, например, когда большинство готовит ужин).

Что ждет электростанции в будущем?

Нам всегда будет нужна энергия и особенно электричество — очень
универсальный вид энергии, который мы можем легко использовать по-разному, но
это не значит, что нам всегда будут нужны электростанции, подобные тем, которые мы
есть сегодня. Давление окружающей среды уже заставляет многих
странах закрыть угольные электростанции, производящие наибольшее
выбросы углекислого газа (отвечающие за изменение климата и глобальное потепление). Хотя АЭС может предложить самый чистый путь к низкоуглеродному будущему,
есть серьезные опасения по поводу того, сможем ли мы построить их достаточно быстро
или преодолеть опасения людей по поводу загрязнения и безопасности (будь то
страхи рациональны или нет).

Стрелка для бензина

В краткосрочной перспективе довольно ясно, что нас ждет в будущем:
есть всемирная «гонка за газом». Большинство новых электрических
электростанции теперь работают на природном газе, что значительно
дешевле, относительно распространены (на данный момент) и производят меньше выбросов
чем другие станции, работающие на ископаемом топливе. Также есть газовые станции
быстрее и дешевле построить, чем более сложные альтернативы, такие как
атомных электростанций и меньше встречают общественное сопротивление. В 2011 году США произвели около четверти
электричество от природного газа; к 2021 году этот показатель вырос более чем на треть (38 процентов).

Диаграмма: черточка для газа. За последнее десятилетие или около того в Соединенных Штатах произошел значительный переход от угольных электростанций (синие) к использованию природного газа (красные), в то время как ядерная энергетика (желтые) и гидроэлектроэнергия (зеленые) по-прежнему обеспечивают чуть более четверти электроэнергии. всей электроэнергии. Ветер (фиолетовый) и солнечная энергия (оранжевый) сильно выросли, но с очень маленькой базы, поэтому даже сейчас они по-прежнему обеспечивают лишь около 13 процентов всей электроэнергии. На этой диаграмме показана разбивка источников выработки электроэнергии в период с 2007 г. (внутреннее кольцо) по 2020 г. (внешнее кольцо). Она была построена с использованием данных за июль 2021 г. из журнала Electric Power Monthly Управления энергетической информации США, по состоянию на 27 октября 2021 г. (и предыдущих версий этого отчета). документ). Примечания: 1) Гидроэнергетика сокращена за счет гидроаккумулирующих. 2) На диаграмме показано только производство электроэнергии в масштабах коммунальных предприятий и исключены мелкие фотоэлектрические и другие небольшие установки. 3) «Ветровая и прочая энергия» включает все возобновляемые источники энергии, кроме солнечной и гидроэлектроэнергии.

CHP

Другие тенденции также становятся важными, особенно изменение
в сторону небольших электростанций, работающих на комбинированном производстве тепла и электроэнергии (ТЭЦ).
В отчете Управления энергетической информации Министерства энергетики США за 2016 г.
Соединенные Штаты имеют потенциал для строительства почти 300 000 малых ТЭЦ
станции (многие просто питают отдельные здания или комплексы), которые
позволит избежать необходимости строительства около 100 крупных угольных или ядерных
заводы и производят около 240 ГВт электроэнергии. Так как некоторые из них будут подпитываться биомасса (например, деревья или
«энергетические культуры», выращенные специально для этой цели) или отходы, которые
иллюстрирует три различные тенденции в действии: переход к меньшему
растений и многое другое, а также переход от ископаемого топлива к
возобновляемые источники энергии.

Возобновляемые источники энергии

В долгосрочной перспективе будущее должно быть возобновляемым, поскольку ископаемые
запасы топлива либо закончатся, либо (что более вероятно) будут сочтены слишком грязными или
дорого в использовании. Мы уже видели огромное распространение энергии ветра по всему миру.
последние пару десятилетий, и солнечная энергия, вероятно, увеличится
резко в ближайшие годы. Большой недостаток, как я
упоминалось ранее, заключается в том, что вам нужно как минимум 1000 ветряных турбин (номинальная
на 2 МВт) или 400 000 солнечных крыш (на 5 кВт), работающих на максимальной мощности, чтобы сделать то же самое.
мощности как одна большая электростанция (2ГВт), так что если мы собираемся перейти
от электростанций до зеленой энергии, нам нужно очень много
охватывая огромную территорию. Какие бы недостатки у силовых установок ни были,
они, безусловно, очень эффективно используют землю (хотя можно возразить, что
следует также учитывать обширный захват земель угольных шахт или месторождений нефти и газа).

Карты: Меняющийся характер электростанций. На этих двух диаграммах общая численность электростанций электроэнергетики США разбита по видам топлива или другой энергии, которую они используют на 2003 и 2019 годы. Вы можете видеть, что произошло значительное сокращение угольных и нефтяных станций, небольшое увеличение на заводах, работающих на природном газе (и другом газе), и огромном увеличении возобновляемых источников энергии (хотя гидроэлектростанции остаются примерно такими же). Нарисовано с использованием данных за декабрь 2019 г.
Сколько и какие электростанции находятся в Соединенных Штатах? , Управление энергетической информации США, 18 ноября 2020 г. (и
более ранние версии того же документа для более ранних данных).

Эффективность и управление спросом

Некоторые утверждают, что мы можем сэкономить на строительстве электростанций
за счет энергоэффективности, например, за счет использования более эффективных домашних
приборы и лучшую изоляцию. Многие коммунальные предприятия имеют
принял эту идею с помощью простых инициатив, таких как раздача бесплатных
энергосберегающие лампочки для домохозяек. Теоретически, если вы выдаете
50 миллионов энергосберегающих ламп, каждая из которых экономит 50 ватт энергии, вы
полностью избежать необходимости строительства одной большой (2,5 ГВт) электростанции. (Эта идея
иногда называемые «негаваттами» — слово, придуманное Эмори Ловинсом из Института Роки-Маунтин.) Мы также можем уменьшить потребность в новых
электростанции за счет более разумного хранения энергии и управления спросом, поэтому
у нас нет таких огромных пиков энергопотребления. К сожалению, это
подход только заводит нас так далеко. Проблема в том, что наша общая энергия
потребности постоянно растут — и наша потребность в электричестве ограничена
также расти по мере того, как мы переходим от автомобилей, работающих на ископаемом топливе, к дизельным
поезда на электрические альтернативы. Кроме того, существует проблема
растущие потребности в энергии в развивающихся странах: люди в тех
страны не могут экономить энергию, которую они еще не используют, и это было бы
быть аморальным, чтобы попытаться помешать им использовать энергию, чтобы выбраться из нищеты. В конечном счете,
миру в целом потребуется использовать гораздо больше энергии и
гораздо больше электроэнергии и, хотя эффективность имеет решающее значение
роль, это лишь малая часть решения.

В краткосрочной перспективе рывок в пользу газа поможет, если он уведет нас от угля. CHP также помогает, если он улучшает
эффективности, но не в том случае, если это привязывает нас к ископаемому топливу на десятилетия, чтобы
прийти. Улавливание и хранение углерода (CCS) может помочь нам состарить,
угольные электростанции более экологичны, но остаются
во многом бездоказательно и дорого. Долгосрочное будущее, безусловно, должно
быть возобновляемой, а энергоэффективность может сделать будущее более зеленым,
питается от солнца и ветра, легче достичь. Тем не менее, пока
и в ближайшие десятилетия традиционные электростанции на ископаемом топливе
останется основой нашего энергоснабжения и электроснабжения. Мы
должны восхищаться ими, уважать их за то, что они питают нашу жизнь, и делать
их настолько чистыми и зелеными, насколько это возможно.

Узнайте больше

На этом сайте

• Электричество
• Электрогенераторы
• Энергия
• Магнетизм
• Возобновляемая энергия
• Паровые турбины

Видео

Экскурсии по электростанциям

• Как вы получаете электричество из угля: отличный 10-минутный анимационный фильм от FirstEnergy и EDP Video объясняет различные этапы производства энергии и содержит множество интересных фактов и статистических данных. Есть хорошее объяснение того, как работают градирни и почему электростанции теперь используют скрубберы дымовых труб для уменьшения загрязнения воздуха.
• Виртуальный тур по угольной электростанции MidAmerican Energy: простой 7-минутный тур, который ясно объясняет путь от угля к электричеству. Отлично подходит для молодых студентов.
• Экскурсия по электростанции Duke Energy: в отличие от двух очень упрощенных анимаций выше, это реальная видео- и фотоэкскурсия по настоящей газовой электростанции (электростанции Duke Energy в Фейетте, Мейсонтаун, Пенсильвания), в диспетчерской, системе охлаждения. башни, паровые турбины, генераторы и передаточная станция.

Другие полезные видео

• Линии электропередач Алома Шаха, Национальный центр STEM. В этом коротком видео Алом демонстрирует, почему электростанции передают электричество при высоком напряжении.
• BBC News: Как вода помогает освещать наши дома: Стив Уэйгуд из компании Npower объясняет, как вода играет решающую роль в производстве электроэнергии на электростанциях, используя в качестве примера электростанцию ​​Didcot в Великобритании.

Статьи

• Слишком много новых угольных электростанций запланировано для климатической цели на 1,5°C, заключает отчет Фиона Харви. The Guardian, 26 апреля 2022 г. Почему в мире, где происходит потепление, все еще появляются новые угольные электростанции?
• Место рождения сети переменного тока: электростанция Folsom Powerhouse первой передала электроэнергию на большие расстояния, Джоанна Гудрич, IEEE Spectrum, 8 сентября 2021 г. Как производство электроэнергии стало более отдаленной перспективой.
• Как Нью-Йорк получает электричество, Эмили С. Рюб. The New York Times, 10 февраля 2017 г. Как электричество поступает от электростанции на севере штата к вашему дому в городе?

Книги

Если вам понравилась эта статья, вам могут понравиться некоторые детские книги, которые я написал на похожие темы:

• Энергия Криса Вудфорда.
  Нью-Йорк/Лондон, Англия: Дорлинг Киндерсли, 2007: Очень яркая и красочная книга об энергии в нашей жизни — что это такое, откуда она берется и как мы ее по-разному используем. Возраст 9–12 лет.
• Сила и энергия Криса Вудфорда.
  New York: Facts on File, 2004. Это более подробная 96-страничная книга о том, как люди использовали энергию на протяжении всей истории. Подходит для большинства возрастов от 10+.
• Крутая наука: эксперименты с электричеством и магнетизмом Криса Вудфорда. Нью-Йорк: Гарет Стивенс, 2010 г.: Узнайте об электричестве, проводя простые и безопасные эксперименты! Возраст 9–12.
• Научные пути: электричество Криса Вудфорда. Нью-Йорк: Розен, 2013 г. (ранее опубликовано издательством Brownbirch, 2004 г.): Это простая история о том, как люди открыли электричество в древние времена и постепенно научились использовать его для своих повседневных нужд. Возраст 9–12 лет.

Откуда у нас электричество?

Электричество необходимо для современной жизни, однако почти миллиард человек не имеет к нему доступа. Такие вызовы, как изменение климата, загрязнение и разрушение окружающей среды, требуют от нас изменения способов производства электроэнергии.

За последнее столетие основными источниками энергии, используемыми для производства электроэнергии, были ископаемое топливо, гидроэлектроэнергия, а с 1950-х годов – ядерная энергия. Несмотря на значительный рост возобновляемых источников энергии за последние несколько десятилетий, ископаемое топливо остается доминирующим во всем мире. Их использование для выработки электроэнергии продолжает расти как в абсолютном, так и в относительном выражении: в 2017 г. на ископаемых видах топлива было произведено 64,5% электроэнергии в мире по сравнению с 61,9% в 1990 г. 

Доступ к надежному электричеству жизненно важен для благополучия человека. В настоящее время каждый седьмой человек в мире не имеет доступа к электричеству. Таким образом, спрос на электроэнергию будет продолжать расти. В то же время выбросы парниковых газов должны резко сократиться, если мы хотим смягчить последствия изменения климата, и мы должны перейти на более чистые источники энергии, чтобы уменьшить загрязнение воздуха. Это, вероятно, потребует значительного увеличения использования всех низкоуглеродных источников энергии, важной частью которых является ядерная энергия.

Для достижения устойчивого мира необходимо будет обезуглерожить все сектора экономики, включая транспорт, теплоснабжение и промышленность. Электричество обеспечивает средства для использования низкоуглеродных источников энергии, поэтому широкомасштабная электрификация рассматривается как ключевой инструмент обезуглероживания секторов, традиционно работающих на ископаемом топливе. По мере роста конечного использования электроэнергии и распространения ее преимуществ на всех людей спрос значительно возрастет.

Уголь, газ и нефть

Электростанции, работающие на ископаемом топливе, сжигают уголь или нефть для выработки тепла, которое, в свою очередь, используется для выработки пара для привода турбин, вырабатывающих электроэнергию. На газовых электростанциях горячие газы приводят в действие турбину для выработки электроэнергии, тогда как на газотурбинной установке с комбинированным циклом (ПГУ) также используется парогенератор для увеличения количества производимой электроэнергии. В 2017 году ископаемое топливо произвело 64,5% электроэнергии во всем мире.

Эти электростанции надежно вырабатывают электроэнергию в течение длительного периода времени и, как правило, дешевы в строительстве. Однако при сжигании топлива на основе углерода выделяется большое количество углекислого газа, что приводит к изменению климата. Эти растения также производят другие загрязняющие вещества, такие как оксиды серы и азота, которые вызывают кислотные дожди.

Электростанция Cottam в Великобритании, которая использует как уголь, так и газ для производства электроэнергии (Изображение: EDF Energy)

Сжигание ископаемого топлива для получения энергии приводит к значительному числу смертей из-за загрязнения воздуха. Например, по оценкам, только в Китае 670 000 человек ежегодно умирают преждевременно из-за использования угля.

Для установок, работающих на ископаемом топливе, требуется очень большое количество угля, нефти или газа. Во многих случаях эти виды топлива необходимо транспортировать на большие расстояния, что может привести к потенциальным проблемам с поставками. Цены на топливо исторически были неустойчивыми и могут резко расти в периоды дефицита или геополитической нестабильности, что может привести к нестабильной стоимости производства и более высоким потребительским ценам.

Гидроэнергетика

Большинство крупных гидроэлектростанций вырабатывают электроэнергию, храня воду в огромных резервуарах за плотинами. Вода из водохранилищ проходит через турбины для выработки электроэнергии. Плотины гидроэлектростанций могут генерировать большое количество низкоуглеродной электроэнергии, но количество мест, подходящих для новых крупномасштабных плотин, ограничено. Гидроэлектроэнергия также может производиться на русловых электростанциях, но большинство рек, подходящих для этого, уже освоены.

Плотина «Три ущелья» в Китае — крупнейшая в мире гидроэлектростанция и крупнейшая в мире электростанция (Изображение: Le Grand Portage, CC BY-SA 2.0)

В 2017 году на гидроэнергетику приходилось 16% мирового производства электроэнергии поколение.

Затопление водохранилищ за плотинами и замедление течения речной системы под плотиной также может оказать серьезное воздействие на окружающую среду и местное население. Например, при строительстве крупнейшей в мире ГЭС «Три ущелья» в Китае было перемещено около 1,3 млн человек.
По числу погибших от несчастных случаев гидроэнергетика является самым смертоносным источником энергии. Аварией с наибольшим числом погибших стало обрушение в 1975 году плотины Баньцяо в китайской провинции Хэнань, в результате которого, по официальным оценкам, погибло 171 000 человек.

Атомная энергетика

Атомные энергетические реакторы используют тепло, выделяемое при расщеплении атомов, для производства пара, приводящего в действие турбину. В процессе деления не образуются парниковые газы, и в течение всего ядерного жизненного цикла образуется лишь очень небольшое количество. Атомная энергетика является экологически чистой формой производства электроэнергии и не способствует загрязнению воздуха. В 2018 году атомная энергетика произвела 10,5% мировой электроэнергии.

Атомная электростанция Палуэль на севере Франции, одна из крупнейших атомных электростанций в мире (Изображение: Areva)

Атомные электростанции, как и электростанции, работающие на ископаемом топливе, очень надежны и могут работать в течение многих месяцев без перерыва, обеспечивая большие объемы чистой электроэнергии, независимо от времени суток, погоды или сезона. Большинство атомных электростанций могут работать не менее 60 лет, и это способствует тому, что атомная электроэнергия является наиболее доступной по сравнению с другими производителями электроэнергии.

Ядерное топливо можно использовать в реакторе в течение нескольких лет благодаря огромному количеству энергии, содержащейся в уране. Мощность одного килограмма урана примерно такая же, как у 1 тонны угля.

В результате образуется соответственно небольшое количество отходов. В среднем реактор, обеспечивающий потребность человека в электроэнергии в течение года, создает около 500 граммов отходов — это поместилось бы в банке из-под газировки. Всего 5 граммов из этого количества используется ядерного топлива — эквивалент листа бумаги. Существует несколько стратегий обращения с отработанным топливом, таких как прямая утилизация или переработка в реакторах для производства электроэнергии с более низким уровнем выбросов углерода.

Ветровая и солнечная энергия

Возобновляемые источники энергии, такие как ветер, солнечная энергия и малые гидроэлектростанции, производят электроэнергию с низким уровнем выбросов парниковых газов на протяжении всего их жизненного цикла. В 2017 году ветер и солнечная энергия произвели 4,4% и 1,3% мировой электроэнергии соответственно. Они не производят электричество предсказуемо или постоянно из-за присущей им зависимости от погоды. Производство электроэнергии ветряными турбинами зависит от скорости ветра, и если ветер слишком слабый или слишком сильный, электричество вообще не производится. Мощность солнечных панелей зависит от силы солнечного света, которая зависит от ряда различных факторов, таких как время суток и количество облачного покрова (а также количество пыли на панелях).

Еще одна проблема заключается в том, что может не хватить места или общественного желания разместить огромное количество турбин или панелей, необходимых для производства достаточного количества электроэнергии. Это связано с тем, что энергия ветра или солнца является рассеянной, а это означает, что для производства значительного количества электроэнергии требуются очень значительные площади земли.

Поскольку электроэнергию нелегко хранить, возобновляемые источники энергии должны подкрепляться другими формами производства электроэнергии. Самые большие батареи не могут работать в течение нескольких дней, не говоря уже о неделях, которые потребовались бы для резервного копирования возобновляемых источников энергии, чтобы обеспечить круглосуточную подачу электроэнергии. Чтобы обеспечить стабильную поставку электроэнергии, газовые станции все чаще предоставляют услуги резервного копирования электроэнергии из возобновляемых источников. Установки, работающие на природном газе, выделяют большое количество углекислого газа во время работы, а значительное количество метана часто выделяется при добыче и транспортировке газа, что способствует изменению климата.

Биомасса

Работа биомассы очень похожа на газовые и угольные электростанции. Вместо сжигания газа или угля завод работает на различных формах биомассы (например, на специально выращенных деревьях, древесной щепе, бытовых отходах или «биогазе»). В 2017 году биомасса произвела 2,3% мировой электроэнергии.

Электростанция Drax в Великобритании частично заменила уголь импортируемой биомассой в качестве топлива для производства электроэнергии (Изображение: Эндрю Вейл, CC BY-SA 2. 0) 

Производство биомассы может потребовать много энергии, как с точки зрения производства самой биомассы, так и с точки зрения транспортировки. Из-за этого требуемая энергия может быть больше, чем энергетическая ценность конечного топлива, а выбросы парниковых газов могут быть такими же высокими или даже больше, чем выбросы от эквивалентного ископаемого топлива. Кроме того, для поглощения выбрасываемого углекислого газа может потребоваться более 100 лет, что приводит к краткосрочному увеличению выбросов.

Другие воздействия на окружающую среду, связанные с землепользованием и экологической устойчивостью, могут быть значительными. Кроме того, как и в случае с углем, использование биомассы может способствовать загрязнению воздуха и, таким образом, иметь негативные последствия для здоровья населения, проживающего рядом с заводами по производству биомассы.

Что будет питать наше электрическое будущее?

Электричество приобретает все большее значение.