Электростанции какого типа производят основное количество электроэнергии: Основные принципы организации производства и потребления электроэнергии в России

Содержание

Trojden | Электроэнергетика: Дронов В. П.

Без электроэнергии жизнь современного общества невозможна. Электроэнергетика относится к числу отраслей, от которых зависит развитие научно-технической революции, поэтому по темпам развития она должна опережать все хозяйство.

Производство электроэнергии в России пока что не достигло уровня 1990 г. Сейчас оно составляет чуть более 900 млрд кВт • ч (4-е место в мире). Это связано с падением потребления электроэнергии, вызванным социально-экономическим кризисом.

Электроэнергия производится на электростанциях различных типов. Каждый из них имеет свои технико-экономические особенности и факторы размещения.

Таблица2

Производство электроэнергии в России

Годы	Общее производство, млрд кВт • ч	Доля производства электроэнергии на разных типах электростанций, %
Годы	Общее производство, млрд кВт • ч	ТЭС	ГЭС	АЭС
1980	805	76	16	8
1990	1082	74	15	11
2007	1000	67	16	17

Тепловая электроэнергетика — это ведущее направление российской электроэнергетики(табл. 2). Тепловые электростанции (ТЭС)обладаютмногимидостоинствами. Они могут использовать разное топливо,поэтомуих можно строить в различных районах страны. Стоимость и время строительства ТЭС сравнительно невелики. Их мощность может быть очень большой. Это позволяет получать дешевую электроэнергию. Крупнейшая по мощности ТЭСстраныСургутская (4,8 млн кВт).

Однако ТЭС имеют и крупные недостатки. Они используют невозобновимые энергетическиересурсы,дают много твердых и газообразных отходов. В связи с ростом стоимости транспортировки топливаувеличивается исебестоимостьэлектроэнергии,вырабатываемой на ТЭС.

Размещение ТЭС зависитот качества топлива, накоторомониработают.Топливонизкого качества(торф, сланцы,бурый уголь) перевозитьнабольшиерасстояния невыгодно. В этихслучаяхТЭС создаютнепосредственно врайонах его добычи (Кузбасс, Канско-Ачинский бассейн).Высококачественное топливо (природный газ, мазут) можнотранспортировать достаточно далеко. Поэтомуего используютна ТЭС,построенных врайонахсбольшимпотреблениемэлектроэнергии, но бедных собственными ресурсами (Европейский Центридр. ).

Особаяразновидность тепловых электростанций — теплоэлектроцентрали(ТЭЦ). Наних, помимо электроэнергии, вырабатывается тепло (горячая вода ипар).Онистроятся непосредственно в крупных городах, поскольку передачатепла возможнатолько на расстояние 20—30км.

Гидроэлектроэнергетика.Повеличине гидроэнергетического потенциала, который может быть использован в энергетике, Россия занимает 2-е место послеКитая—850млрдкВт • чвгод. Ноон сейчас используетсятолькона 18%. Подавляющаяегочасть сосредоточенав ВосточнойСибири(41%)инаДальнем Востоке (35%).Вдругих странах уровень использования гидроэнергетического потенциала гораздо выше:воФранции — 90%, Германии,Швеции —65—90%, США, Канаде, Бразилии—45—65%,Китае, Индии—20—45%.

Определите районы наибольших запасов гидроэнергоресурсов. Уточните, вкакихрайонах затратына производствоэлектроэнергияминимальны.

ГЭСвыгоднее всего строитьнареках с большимпадениеми расходом воды.Главное достоинство ГЭС—использованиевозобновимоговида энергоресурсов, поэтому они производят самую дешевуюэлектроэнергию. Работа ГЭСпозволяетэкономить 60 млн т топлива вгод.Онаснижает выбросы в атмосферу. МощностькрупнейшихГЭСбольше, чем уТЭС(Саянская—6,4млн кВт, Красноярская—6 млн кВт). Однакокрупные ГЭС очень дорогиидолго строятся (около15—20лет), требуют создания крупных водохранилищ. Вода из водохранилищ используется впромышленности,сельском хозяйстве, потребляется населением. Но водохранилища затапливают ценные земли, изменяют гидрологический режим и климат прилегающих территорий, затрудняют хозяйственные связи между берегами. Плотины преграждают путь естественным миграциям рыб. Вода, прошедшая через турбину гидроэлектростанции, становится «мертвой», так как в ней погибают все микроорганизмы. Поэтому крупные ГЭС целесообразно строить в малообжитых горных районах. Перспективно также создание небольших ГЭС на малых реках.

Вкакихрайонах строительство ГЭС наиболее перспективно?

Рис. 5. Гидроэнергетические ресурсы России

На крупнейших реках России: Волге, Енисее, Ангаре построены каскады ГЭС. Они позволяют полнее использовать гидроэнергетический и транспортный потенциал рек, создавать крупные запасы воды. Но одновременно создание каскадов снижает скорость течения воды, что способствует сильному загрязнению рек.

Красноярская ГЭС

Особый вид ГЭС — гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). В отличие от ГЭС их можно строить и на равнинах. Основной принцип их работы — использование ночных резервов электроэнергии для закачки воды в верхний резервуар. Днем, когда энергии недостает, эта вода используется для ее дополнительного производства. Первая в России ГАЭС построена в Подмосковье (Сергиев Посад).

Схемагидроаккумулирующей электростанции

Атомная энергетика. Мощностьатомныхэлектростанций (АЭС) ипроизводство электроэнергии нанихпостояннорастут. Из 1кгядерноготоплива(уран, плутоний и др.) выделяетсястолько жеэнергии, сколько образуетсяприсжигании3000 ткаменногоугля.Для работыядерногореактора втечение нескольких лет достаточно загрузить внего20—30 тядерноготоплива. ПоэтомуАЭСстроят в районах, где нет достаточных энергетических ресурсов илионидороги,ноэлектроэнергии требуется много (европейская часть России, Чукотка),ВРоссии работает несколько крупных АЭС: Курская(4 млн кВт),Смоленская, Кольскимидр. Предполагается построитьрядАЭСвЦентральном районеи наДальнем Востоке. Главные проблемы, возникающие в ходе работы АЭС, — обеспечение радиационной безопасности, переработка и хранение радиоактивных отходов.

Вперспективе предусматривается все более широкое использование нетрадиционных источников энергии: солнечной, геотермальной, приливной, ветровой.

Солнечная электростанция

По рисунку 6 определите районы страны, где производство «экологически чистой» энергиинаиболее перспективно.

Рис. 6.Перспективные районы производства «экологически чистой» энергии

Энергосистемы. Энергосистема — группа электростанций равных типов, объединенных линиями электропередачи (ЛЭП) иуправляемых из одного центра. Создание энергосистем повышает надежность обеспечения потребителей электроэнергией и позволяет передавать ее из района в район. В России существует несколько крупных энергосистем: Центральная, Уральская, Сибирская и др. Большая их часть входит к состав Единой энергосистемы России (ЕЭС). Пока что изолирована от нее энергосистема Дальнего Востока. ЕЭС России контактирует с энергосистемами Украины, Прибалтики, Белоруссии, Азербайджана и Монголии, Казахстана и Финляндии, поставляет электроэнергию в Норвегию и Китай.

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. Какая из топливныхбазстраны в перспективе будет основной?
2. Электростанции какого типа производят основное количество электроэнергии в России?
3.Зачем нужно создание крупных энергосистем?

Страница

Несмотря на то, что алюминий самый распространенный металл на нашей планете, в чистом виде на Земле его не встретить. Из-за высокой химической активности атомы алюминия легко образуют соединения с другими веществами. При этом «крылатый металл» нельзя получить плавлением руды в печи, как это происходит, например, с железом. Процесс получения алюминия значительно сложнее и основан на использовании электричества огромной мощности. Поэтому алюминиевые заводы всегда строятся рядом с крупными источниками электроэнергии – чаще всего гидроэлектростанциями, не загрязняющими окружающую среду. Но обо всем по порядку.

Производство металла делится на три основных этапа: добыча бокситов – алюминийсодержащей руды, их переработка в глинозем – оксид алюминия, и, наконец, получение чистого металла с использованием процесса электролиза – распада оксида алюминия на составные части под воздействием электрического тока. Из 4-5 тонн бокситов получается 2 тонны глинозема, из которого производят 1 тонну алюминия.

В мире существуют несколько видов алюминиевых руд, но основным сырьем для производства этого металла являются именно бокситы. Это горная порода, состоящая, в основном, из оксида алюминия с примесью других минералов. Боксит считается качественным, если он содержит более 50% оксида алюминия.

Бокситы могут сильно отличаться друг от друга. По структуре они бывают твердые и плотные либо рыхлые и рассыпчатые. По цвету – как правило, кирпично-красные, рыжеватые или коричневые из-за примеси оксида железа. При небольшом содержании железа бокситы имеют белый или серый цвет. Но иногда встречаются руды желтого, темно-зеленого цвета и даже пестрые – с голубыми, красно-фиолетовыми или черными прожилками.

Около 90% мировых запасов бокситов сосредоточено в странах тропического и субтропического поясов – из них 73% приходится на пять стран: Гвинею, Бразилию, Ямайку, Австралию и Индию. В Гвинее бокситов больше всего – 5,3 миллиарда тонн (28,4%), при этом они высокого качества, содержат минимальное количество примесей и залегают практически на поверхности.

Чаще всего добыча бокситов ведется открытым способом – специальной техникой руду «срезают» слой за слоем с поверхности земли и транспортируют для дальнейшей переработки. Однако в мире есть места, где алюминиевая руда залегает очень глубоко, и для ее добычи приходится строить шахты – одна из самых глубоких шахт в мире «Черемуховская-Глубокая» находится в России, на Урале, ее глубина – 1550 метров.

Следующим этапом является производственной цепочки является переработка бокситов в глинозем – это оксид алюминия Al₂O₃, который представляет собой белый рассыпчатый порошок. Основным способом получения глинозема в мире является метод Байера, открытый более ста лет назад, но актуальный до сих пор – около 90% глинозема в мире производятся именно так. Этот способ весьма экономичен, но использовать его можно только при переработке высококачественных бокситов со сравнительно низким содержанием примесей – в первую очередь кремнезема.

Метод Байера основан на следующем: кристаллическая гидроокись алюминия, входящая в состав боксита, хорошо растворяется при высокой температуре в растворе едкого натра (каустической щёлочи, NaOH) высокой концентрации, а при понижении температуры и концентрации раствора вновь кристаллизуется. Посторонние, входящие в состав боксита (так называемый балласт), не переходят при этом в растворимую форму или перекристаллизовываются и выпадают в осадок до того, как производится кристаллизация гидроокиси алюминия. Поэтому после растворения гидроокиси алюминия балласт легко может быть отделен – он называется красный шлам.

Это густая масса красно-бурого цвета, состоящая из соединений кремния, железа, титана и других элементов. Его складируют на тщательно изолированных территориях – шламохранилищах. Их обустраивают таким образом, чтобы содержащиеся в отходах щёлочи не проникали в грунтовые воды. Как только хранилище отрабатывает свой потенциал, территорию можно вернуть в первоначальный вид, покрыв её песком, золой или дёрном и посадив определённые виды деревьев и трав. На полное восстановление могут уйти годы, но в итоге местность возвращается в изначальное состояние.

Многие специалисты не считают красный шлам отходом, так как он может служить сырьем для переработки. Например, из него извлекают скандий для дальнейшего производства алюминиево-скандиевых сплавов. Скандий придает таким сплавом особую прочность, сферы использования – автомобиле- и ракетостроение, спортивная экипировка, производство электропроводов.

Нефелин
Бокситы – самое распространенное, но не единственное сырье для производства глинозема. Его также можно получить из нефелина. В природе он встречается в виде апатито-нефелиновых пород (апатит – материал из группы фосфорнокислых солей кальция). В процессе производства глинозема из нефелина также получают сода, поташ (используется в строительном секторе, производстве бытовой химии, кондитерской промышленности и так далее), редкий металл галлий. А из отходов производства – белого шлама – высококачественный цемент. Чтобы получить 1 тонну глинозема в среднем требуется 4 тонны нефелина и 7,5 тонн известняка.

У глинозема нет срока годности, но хранить его непросто, так как при малейшей он возможности активно впитывает влагу – поэтому производители предпочитают как можно быстрее отправлять его на алюминиевое производство. Сначала глинозем складывают в штабели весом до 30 тысяч тонн – получается своеобразный слоеный пирог высотой до 10-12 метров. Потом пирог «нарезают» и грузят для отправки в железнодорожные вагоны – в среднем, в один вагон от 60 до 75 тонн (зависит от вида самого вагона).

Существует еще один, гораздо менее распространенный способ получения глинозема – метод спекания. Его суть заключается в получения твердых материалов из порошкообразных при повышенной температуре. Бокситы спекают с содой и известняком – они связывают кремнезем в нерастворимые в воде силикаты, которые легко отделить от глинозема. Этот способ требует больших затрат, чем способ Байера, но в то же время дает возможность перерабатывать бокситы с высоким содержанием вредных примесей кремнезема.

Ивиттуут
Одно из единичных месторождений природного криолита на Земле. Расположено в Гренландии и было обнаружено в 1799 году. Добыча криолита прекратилась там в 1987 году, когда был изобретен способ искусственного получения этого редкого минерала. Позднее криолит был найден в Ильменских горах на Южном Урале (Миасс) и в штате Колорадо (США).

Это редкий минерал из группы природных фторидов состава Na3AlF6. Обычно он образует бесцветные, белые или дымчато-серые кристаллические скопления со стеклянным блеском, иногда – почти черные или красновато-коричневые. Криолит хрупкий и легко плавится.

Природных месторождений этого минерала крайне мало, поэтому в промышленности используется искусственный криолит. В современной металлургии его получают взаимодействием плавиковой кислоты с гидроксидом алюминия и содой.

Итак, мы добыли боксит, получили из него глинозем, запаслись криолитом. Все готово для последней стадии – электролизу алюминия. Электролизный цех является сердцем алюминиевого завода и не похож на цеха других металлургических предприятий, производящих, например, чугун или сталь. Он состоит из нескольких прямоугольных корпусов, протяженность которых зачастую превышает 1 км. Внутри рядами установлены сотни электролизных ванн, последовательно подключенных массивными проводами к электричеству. Постоянное напряжение на электродах каждой ванны находится в диапазоне всего 4-6 вольт, в то время как сила тока составляет 300 кА, 400 кА и более. Именно электрический ток является здесь главной производственной силой – людей в этом цехе крайне мало, все процессы механизированы.

В каждой ванне происходит процесс электролиза алюминия. Емкость ванны заполняется расплавленным криолитом, который создает электролитическую (токопроводящую) среду при температуре 950°С. Роль катода выполняет дно ванны, а анода – погружаемые в криолит угольные блоки длиной около 1,5 метров и шириной 0,5 метра, со стороны они выглядят как впечатляющих размеров молот.

Каждые полчаса при помощи автоматической системы подачи глинозема в ванну загружается новая порция сырья. Под воздействием электрического тока связь между алюминием и кислородом разрывается – алюминий осаждается на дне ванны, образуя слой в 10-15 см, а кислород соединяется с углеродом, входящим в состав анодных блоков, и образует углекислый газ.

Примерно раз в 2-4 суток алюминий извлекают из ванны при помощи вакуумных ковшей. В застывшей на поверхности ванны корке электролита пробивают отверстие, в которое опускают трубу. Жидкий алюминий по ней засасывается в ковш, из которого предварительно откачан воздух. В среднем, из одной ванны откачивается около 1 тонны металла, а в один ковш вмещается около 4 тонн расплавленного алюминия. Далее этот ковш отправляется в литейное производство.

При производстве каждой тонны алюминия выделяется 280 000 м³ газов. Поэтому каждый электролизер независимо от его конструкции оснащен системой газосбора, которая улавливает выделяющиеся при электролизе газы и направляет их в систему газоочистки. Современные «сухие» системы газоочистки для улавливания вредных фтористых соединений используют ни что иное, а глинозем. Поэтому перед тем как использоваться для производства алюминия, глинозем на самом деле сначала участвует в очистке газов, которые образовались в процессе производства металла ранее. Вот такой замкнутый цикл.

Для процесса электролиза алюминия требуется огромное количество электроэнергии, поэтому важно использовать возобновляемые и не загрязняющие окружающую среду источники этой энергии. Чаще всего для этого используются гидроэлектростанции – они обладают достаточной мощностью и не имеют выбросов в атмосферу. Например, в России 95% алюминиевого мощностей обеспечены гидрогенерацией. Однако есть в места в мире, где угольная генерация пока доминирует – в частности, в Китае на нее приходится 93% производства алюминия. В результате для производства 1 тонны алюминия с использованием гидрогенерации в атмосферу выделяется чуть более 4 тонн углекислого газа, а при использовании угольной генерации – в пять раз больше – 21,6 тонны.

Расплавленный алюминий в ковшах доставляется в литейный цех алюминиевого завода. На этой стадии металл все еще содержит небольшое количество примесей железа, кремния, меди и других элементов. Но даже доли процента, приходящиеся на примеси, могут изменить свойства алюминия, поэтому здесь их удаляют методом переплавки в специальной печи при температуре 800°С. Полученный чистый алюминий разливают в специальные формы, в которых металл приобретает свою твердую форму.

Самые большие слитки – 30-тонные параллелепипеды длиной 11,5 метров. Их изготавливают в специальных формах, уходящих в землю на примерно 13 метров. Горячий алюминий заливается в нее в течение двух часов – слиток «растет» в форме как сосулька, только в обратном направлении. Одновременно его охлаждают водой и к моменту завершения выливки он уже готов к дальнейшей транспортировке. Прямоугольные слитки называются слябами (от англ. slabs) – они используются для проката в тонкие листы и производства алюминиевой фольги, банок для напитков или, к примеру, автомобильных кузовов.

Сплавы производятся путем введения в алюминий различных металлов (так называемых легирующих добавок) – одни повышает его твердость, другие плотность, третьи приводят к изменению его теплопроводности и т.д. В качестве добавок используются бор, железо, кремний, магний, марганец, медь, никель, свинец, титан, хром, цинк, цирконий, литий, скандий, серебро и др. Кроме этих элементов, в алюминиевых сплавах могут присутствовать еще около десятка легирующих добавок, таких как стронций, фосфор и другие, что значительно увеличивает возможное число сплавов. На сегодняшний день в промышленности используется свыше 100 марок алюминиевых сплавов.

Производители алюминия постоянно совершенствуют свои технологии, дабы научиться производить металл наилучшего качества с наименьшими затратами и минимальным воздействием на экологию. Уже сконструированы и работают электролизеры, мощность силы тока у который по 400 и 500кА, модернизируются электролизеры прошлых поколений.

Одна из передовых мировых разработок – производство металла с использованием инертного анода. Эта уникальная революционная технология позволит алюминщикам отказаться от использования угольных анодов. Инертный анод, упрощенно говоря, вечен, но что самое важное – при его использовании в атмосферу выделяется не углекислый газ, а чистейший кислород. Причем 1 электролизная ванна сможет вырабатывать столько же кислорода, сколько 70 га леса. Пока эта технология секретна и проходит промышленные испытания, но кто знает – может быть, в будущем она сделает из алюминиевой промышленности еще одни легкие нашей планеты.

Алюминий обладает полезным свойством – не терять своих свойств в процессе использования, поэтому изделия из него могут подвергаться переплавке и вторичной переработке в уже новые изделия. Это позволяет сохранить ту колоссальную энергию, затраченную на производство алюминия впервые.

По расчетам Международного алюминиевого института с 1880 года в мире произведен почти 1 млрд тонн алюминия и три четверти всего этого объема до сих пор используется. Около 35% в зданиях и сооружениях, 30% – в электрических кабелях и оборудовании и 30% – в транспорте.

По всему миру собирают отходы алюминия – в быту это, в основном, алюминиевые банки из-под напитков. Подсчитано, что 1 кг собранных и сданных в переработку банок позволяет сэкономить 8 кг боксита, 4 кг различных фторидов и 14 кВт/ч электроэнергии. Кроме этого, это позволяет существенно сократить экологический урон от все разрастающихся свалок. Развитие экологической ответственности делает все более популярной идею раздельного сбора мусора во всем мире.

Ежегодно в мире производится более 220 млрд банок для напитков, в Европе 90% из них вторично перерабатываются – причем зачастую снова в банки, поэтому именно алюминиевую банку называют вечной. Но переработать можно что угодно – и корпуса автомобилей, и использованную фольгу для запекания, и раму велосипеда.

Электростанции какого типа производят основное количество электроэнергии: Основные принципы организации производства и потребления электроэнергии в России

Trojden | Электроэнергетика: Дронов В. П.

Как производится алюминий

Часто задаваемые вопросы (FAQ) — Управление энергетической информации США (EIA)

Уголь

Преобразование и эквиваленты

Дизельное топливо

Электричество

Окружающая среда

Бензин

General Energy

Природный газ

Атомная

Нефть/нефть

Цены

Возобновляемые источники энергии

На этой странице:

часто задаваемых вопросов (FAQ) — Управление энергетической информации США (EIA)