Содержание
Выработка электричества | Cummins Inc.
Откуда берется электричество?
Давайте ответим на этот вопрос с конца.
Щелкните выключателем в своем доме, и свет зажжется. Мы делаем это десятки раз в день, не задумываясь о том, что именно происходит или какая электрическая система делает это возможным.
Давайте на минутку отследим электрический ток. Электричество поступает в ваш дом на электрическую панель через служебный вход. Служебный вход подключается к кабелям низкого напряжения на воздушных линиях электропитания, которые, в свою очередь, подключаются к столбовому трансформатору. Столбовые трансформаторы подключаются к воздушным линиям среднего напряжения и к так называемой распределительной сети, соединяющей местных потребителей электроэнергии в пределах определенной области.
Распределительная сеть подключается к транспортной сети через подстанцию. Транспортная сеть состоит из линий электропередач высокого и очень высокого напряжения, предназначенных для передачи большого объема электроэнергии на значительные расстояния.
Эти линии электропередачи ведут к электростанциям, где вырабатывается электричество.
Представьте себе, что электрический ток — это вода, протекающая по трубе. В начале трубы, а, может, и через сотни километров, давление воды чрезвычайно высокое. По мере приближения к городским районам и домам давление снижается до более контролируемых значений. Вот почему на каждом этапе вдоль пути установлены подстанции и трансформаторы, снижающие напряжение электричества.
Что такое возобновляемая электроэнергия?
Возобновляемая электроэнергия – это просто электроэнергия, вырабатываемая с использованием источников возобновляемой энергии. Солнце, ветер и вода — три наиболее распространенных источника для выработки возобновляемой электроэнергии.
Спрос на возобновляемую электроэнергию растет по двум основным причинам.
Первая причина — доступность. Солнечные панели и ветряные турбины с годами стали эффективнее и дешевле. Вторая причина связана с экологическими проблемами. Терпимость к выбросам электростанций, работающих на ископаемом топливе, быстро снижается. Это стимулирует тенденцию замены электростанций, работающих на ископаемом топливе, возобновляемыми энергетическими ресурсами.
Что такое электричество переменного и постоянного тока?
Переменный ток (AC) и постоянный ток (DC) — это два различных способа протекания электрического тока в цепи.
Постоянный ток течет с постоянной скоростью и всегда в одном направлении. Переменный ток протекает с переменной скоростью, и его направление часто меняется.
Когда говорится, что электроснабжение в Северной Америке осуществляется с частотой 60 Гц, это означает, что направление потока переменного тока меняется 60 раз в секунду. Представьте себе переменный ток как коленчатый вал в спортивном, скоростном болиде. Автомобиль оборудован множеством цилиндров, толкающих коленчатый вал для перемещения автомобиля, но цилиндры толкают коленчатый вал неодновременно.
Вместе они обеспечивают движение машины, и это движение кажется равномерным.
А теперь представьте себе постоянный ток в качестве ручной дрели. Дрель обеспечивает постоянное движение, постоянную мощность для любой выполняемой задачи.
На заре электрификации постоянный и переменный ток рассматривались как действенные способы производства, транспортировки, распределения и потребления электроэнергии. В этой связи мы должны вернуться к Эдисону и Вестингаузу.
Эдисон представлял себе электрическую систему, основанную на электричестве постоянного тока. Вестингауз поддерживал разработку системы переменного тока. Проблема для них заключалась в том, что системы переменного и постоянного тока являются взаимоисключающими, поэтому одна должна была возобладать, а другая — проиграть. Это привело к ожесточенному соперничеству, вошедшему в анналы истории.
В конечном итоге, переменный ток стал доминирующим типом электроэнергии, потому что его было гораздо проще эффективным образом транспортировать и распределять от электрических станций до подстанций, домов и предприятий.
Фрагменты электрической системы постоянного тока Эдисона оставались в Нью-Йорке в течение значительной части 20 века, например, в старых зданиях, которые были оборудованы лифтами постоянного тока, или в системе метро, поезда которых также использовали постоянный ток для своего движения. Последний потребитель постоянного тока на Манхэттене, здание на 40-й улице, был отключен лишь в 2007 году.
Интересно, что линии электропередачи постоянного тока продолжают использоваться в некоторых областях применения. Например, их обычно выбирают для подводных кабелей, которые передают электроэнергию, вырабатываемую морскими ветровыми электростанциями, обратно на сушу. Причина того, что линии постоянного тока могут подключаться к сети переменного тока, заключается в наличии на сегодняшний день силовой электроники, которая может преобразовывать электроэнергию между постоянным и переменным током с минимальными потерями — силовая электроника еще не была изобретена в 19 веке, поэтому Эдисон и Вестингауз не имели возможности ее использовать.
Способы получения электроэнергии: где мир берет силы для развития: Статьи экономики ➕1, 14.04.2022
С каждым годом мировое потребление электричества растет, поэтому приходится задействовать все доступные способы его выработки. Разбираемся, какие технологии получения электроэнергии существуют и как они влияют на окружающую среду.
Тепловая электростанция
Фото: aapsky / iStock
В 2021 году с помощью тепловых электростанций (ТЭС) получено 62% мировой электроэнергии. Они работают на органическом топливе — природном газе, угле, мазуте, торфе, горючих сланцах. Нагретая в котле вода превращается в пар, который подается в паровую турбину. В результате ее вращения механическая энергия преобразуется в электрический ток.
Преимущество ТЭС — сравнительно небольшие затраты на строительство и обслуживание. Но при производстве электроэнергии в атмосферу попадают большие объемы CO2 и других парниковых газов, вызывающих изменения климата, и вредные вещества, такие как оксид углерода, оксид серы, зола, сернистый газ.
Они приводят к увеличению риска развития различных заболеваний.
Влияние энергетики на экологию — насколько вредны уголь, нефть и газ
И когда планета и люди вздохнут спокойно
Опасения вызывают и стремительно уменьшающиеся запасы природных ресурсов. По оценкам Минприроды, запасы нефти в России будут исчерпаны через 16-17 лет, а природного газа — через 20. Мировые залежи нефти закончатся позже — примерно через 50 лет.
С учетом вышесказанного многие государства начали активный переход на более безопасную для природы возобновляемую энергию — солнца, ветра и т. д. По-прежнему востребованы атомная и гидроэнергетика. Обеспечение всеобщего доступа к экологически чистым источникам энергии является одной из Целей устойчивого развития (ЦУР) Организации объединенных наций (ООН).
ГЭС «Илья-Солтейра» в Бразилии
Фото: edsongrandisoli / iStock
Около 84% энергии, генерируемой на базе возобновляемых источников, вырабатывают гидроэлектростанции (ГЭС).
Это одна шестая всей электроэнергии планеты. Большая часть мировой гидроэлектроэнергии производится в Бразилии, США, КНР, Канаде, России. По оценкам Международного энергетического агентства, в дальнейшем 80% ГЭС будут строиться в развивающихся странах с большим гидропотенциалом.
При работе гидроэлектростанций используется кинетическая энергия потока воды, приводящая в движение турбину. Для создания напора применяются плотины, специальные отводы, расположенные под наклоном (для горных рек), или аккумуляторные насосы, перекачивающие воду из одного резервуара в другой.
Гидроэнергетика использует возобновляемый ресурс и не дает вредных выбросов. Кроме того, мощность этого источника электроэнергии легко отрегулировать путем изменения интенсивности потока воды. С учетом этих преимуществ именно гидроэнергетику рассматривают как наиболее перспективную замену ТЭС.
Но строительство крупных ГЭС также оказывает негативное воздействие на окружающую среду.
Так, из-за Иркутской ГЭС уровень воды в озере Байкал повысился на один метр, что вызвало оползни и разрушение берегов. Кроме того, строительство гидроэлектростанций приводит к ухудшению условий обитания растений и животных, в том числе к снижению концентрации кислорода в воде, нарушению путей миграции рыб.
10 причин, почему крупные ГЭС опасны для природы и человека
Что не так с большими гидроэлектростанциями
Природоохранные организации предлагают ограничиться строительством малых и средних ГЭС. Эффективность этого решения уже подтверждена мировым опытом. Так, в Китае работает более 90 тыс. малых ГЭС. Они обеспечивают 30% электроэнергии, потребляемой сельскими регионами.
Солнечная электростанция в Китае
Фото: Jenson / iStock
Согласно данным Европейской ассоциации солнечной энергетики SolarPower Europe, солнечные электростанции (СЭС) обеспечивают выработку 2,6% мировой электроэнергии.
В то же время эта отрасль лидирует по объемам инвестиций. Эксперты Института энергетики НИУ ВШЭ отмечают, что в 2019 году прирост мощностей СЭС в 2,5 раза превысил введенные мощности угольных и газовых станций.
СЭС отражают лучи солнца с помощью зеркал, концентрируя их на приемнике, наполненном маслом или водой. Пар, выделяемый при нагреве жидкости, приводит в действие электрогенератор.
Солнечная энергетика обладает огромным потенциалом. Каждый квадратный метр космического пространства содержит около 1,3 тыс. Вт энергии солнца. Две трети этого количества преодолевают атмосферу и достигают поверхности нашей планеты. Ученые подсчитали, что за 18 ясных дней на Землю поступает столько энергии, сколько содержится во всех запасах нефти, угля и природного газа.
Мировыми лидерами по мощностям солнечной энергетики являются Китай, Германия, Япония и США. В нашей стране эта отрасль тоже развивается: уже построено около 80 крупных СЭС общей мощностью более 1,8 ГВт.
Кроме того, государство поддерживает микрогенерацию — каждый человек может установить солнечный модуль, например за окном или на крыше, чтобы генерировать электроэнергию и продавать ее ресурсоснабжающим компаниям.
Как солнечные панели экономят плату за электричество
Пять выводов о том, как развивается частная солнечная энергетика в России
Средний срок службы солнечных батарей — 25-30 лет. Все это время обеспечиваются получение и передача электроэнергии потребителям без дополнительных затрат на обслуживание. Достаточно смывать с модулей пыль 3-4 раза в год. Передача электроэнергии осуществляется по электрическим сетям.
Ветроэнергетика развивается быстрее, чем другие технологии ВИЭ. В 2020 году ее мощности увеличились на 95,3 ГВт, в 2021-м — на 93,6 ГВт. Общая мощность ветрогенераторов в мире равна 837 ГВт. К началу 2021 года на ВЭС приходилось 0,13% генерации в России.
Ветроэнергетика не загрязняет атмосферу, но шум и вибрации, создаваемые генераторами, отпугивают животных, обитающих поблизости.
Также существует опасность гибели птиц, пролетающих рядом с лопастями. Но действие этих факторов не настолько велико, чтобы всерьез задуматься об отказе от энергии ветра. Так, по данным Европейской ассоциации ветряной энергетики (EWEA), от столкновения с ВЭС гибнет в 3,5 тысячи раз меньше птиц, чем от когтей и зубов кошек. Кроме того, в США создали систему, выключающую генератор при приближении охраняемых пернатых.
Несмотря на активное развитие сектора ВЭС, динамика его роста по-прежнему недостаточна для того, чтобы достичь углеродной нейтральности к 2050 году. По оценкам специалистов из Глобального совета по ветроэнергетике (GWEC), необходимо ежегодно строить в четыре раза больше турбин.
Эксперт: Россия может перейти с угля и газа на ветер
Ветровая электроэнергия в стране уже сопоставима по стоимости с традиционной
Воды Мирового океана занимают около 70% поверхности планеты и накапливают большое количество тепловой энергии cолнца.
Эту энергию преобразуют в электричество с помощью специального оборудования. Для его эффективной работы необходима разница температур между поверхностным и глубоким слоями воды не менее 20 °C.
Существует три вида океанических теплоэлектростанций (ОТЭС):
1
В системе открытого цикла прогретая солнцем океаническая вода превращается в пар в камере с низким давлением, снижающим температуру ее кипения. Пар запускает турбину, а на выходе холодная глубинная вода возвращает его в жидкое состояние.
2
В установках закрытого цикла теплая вода испаряет рабочую жидкость (пропан, фреон, аммиак), циркулирующую по замкнутой системе трубок и проходящую через теплообменник. В этом случае океаническая вода должна быть прогрета до нужной температуры.
3
В ОТЭС смешанного типа вода преобразуется в пар, который испаряет рабочую жидкость.
Описанный выше порядок получения электроэнергии при помощи ОТЭС подходит только для тропических регионов.
Но планируется построить подобные станции и в Арктике, где они будут работать за счет разницы температур подледного слоя воды и воздуха, превышающей 26 °C.
Увеличение объемов использования тепловой энергии океана включено в национальные программы Индии, США, Швеции, Франции, Японии. Так, президент Франции поставил задачу: к 2030 году полностью перевести остров Реюньон на энергию ОТЭС.
Ростовская атомная электростанция
Фото: Эрик Романенко / ТАСС
В мире функционирует более 400 ядерных реакторов, и еще 475 планируется построить. 98% атомных электростанций (АЭС) сконцентрировано в Европе, Северной Америке и Азиатско-Тихоокеанском регионе. В России АЭС вырабатывают 20% всей электроэнергии страны. Сейчас госкорпорация «Росатом» строит три новых энергоблока, в том числе инновационный реактор БРЕСТ-ОД-300 с замкнутым топливным циклом. Облученное топливо будет перерабатываться и использоваться повторно, благодаря чему система станет практически безотходной.
«Замести под коврик»: как в России утилизируют радиоактивные отходы
Грамотно ли в нашей стране поступают с атомными реакторами и топливом
В недавнем заявлении Еврокомиссии говорится, что ядерная энергетика поможет увеличить долю использования возобновляемых источников энергии и перейти к климатической нейтральности, то есть минимизировать влияние электростанций на климат. Этот способ получения электричества имеет еще одно достоинство: энергоемкость ядерного топлива в 104 раз больше нефти.
Климатолог Джеймс Хансен отметил, что переход на атомную энергетику может спасти 7 млн жизней в год. Именно столько людей умирает от загрязнения воздуха, вызванного выбросами теплоэлектростанций.
У развития атомной энергетики есть одно препятствие — негативные ассоциации, связанные с катастрофами в Чернобыле и Фукусиме. Но надежность современных ядерных реакторов не оставляет поводов для опасений: согласно исследованию медицинского журнала Lancet, атомная энергия по безопасности превосходит даже солнечные панели.
Подписывайтесь на наш канал в Яндекс.Дзен.
Автор
Вера Жихарева
Центр данных по альтернативным видам топлива: производство и распределение электроэнергии
Полностью электрические транспортные средства и подключаемые гибридные электромобили (PHEV), которые в совокупности называются электромобилями (EV), хранят электроэнергию в батареях для питания одного или нескольких электродвигателей. Аккумуляторы заряжаются в основном путем подключения к внешним источникам электроэнергии, произведенным из природного газа, ядерной энергии, угля, энергии ветра, гидроэнергетики и солнечной энергии.
Полностью электрические транспортные средства, а также PHEV, работающие в полностью электрическом режиме, не производят выбросов выхлопных газов. Однако существуют выбросы, связанные с большей частью производства электроэнергии в Соединенных Штатах. Дополнительную информацию о местных источниках электроэнергии и выбросах см.
в разделе «Выбросы».
Производство
По данным Управления энергетической информации США, в 2020 году большая часть электроэнергии в стране была произведена за счет природного газа, ядерной энергии и угля.
Электроэнергия также производится из возобновляемых источников, таких как ветер, гидроэнергетика, биомасса, ветер и геотермальная энергия. Вместе возобновляемые источники энергии произвели около 20% электроэнергии страны в 2020 году.
Для производства электроэнергии турбогенераторная установка преобразует механическую энергию в электрическую. В случае природного газа, угля, ядерного деления, биомассы, нефти, геотермальной и солнечной энергии производимое тепло используется для создания пара, который приводит в движение лопасти турбины. В случае ветряной и гидроэнергетики лопасти турбины приводятся в движение непосредственно потоками ветра и воды соответственно. Солнечные фотоэлектрические панели преобразуют солнечный свет непосредственно в электричество с помощью полупроводников.
Количество энергии, производимой каждым источником, зависит от сочетания видов топлива и источников энергии, используемых в вашем регионе. Чтобы узнать больше, см. раздел о выбросах. Узнайте больше о производстве электроэнергии от Управления энергетической информации Министерства энергетики США.
Передача и распределение электроэнергии
Электричество в Соединенных Штатах часто перемещается на большие расстояния от генерирующих мощностей до местных распределительных подстанций по передающей сети протяженностью почти 160 000 миль высоковольтных линий электропередачи. Генерирующие объекты обеспечивают электроэнергию в сеть при низком напряжении, от 480 вольт (В) на малых генерирующих объектах до 22 киловольт (кВ) на более крупных электростанциях. Как только электроэнергия выходит из генерирующего объекта, напряжение увеличивается или «повышается» с помощью трансформатора (типовой диапазон от 100 кВ до 1000 кВ), чтобы минимизировать потери мощности на больших расстояниях.
По мере того, как электроэнергия передается по сети и поступает в районы нагрузки, напряжение понижается трансформаторами подстанции (в диапазоне от 70 кВ до 4 кВ). Чтобы подготовиться к подключению клиентов, напряжение снова снижается (бытовые потребители используют 120/240 В; коммерческие и промышленные потребители обычно используют 208/120 В или 480/277 В).
Электрические транспортные средства и мощность электрической инфраструктуры
Полностью электрические транспортные средства и подключаемые гибридные электромобили представляют собой растущий спрос на электроэнергию, что может оказать негативное воздействие на энергосистему. Хотя эти новые нагрузки вряд ли истощат большую часть наших существующих генерирующих ресурсов, высокие совпадающие пики зарядки электромобилей в концентрированных местах могут вызвать нагрузку на близлежащее распределительное оборудование. Усовершенствованное планирование сети и решения, такие как интеллектуальное управление зарядкой, будут важны для обеспечения того, чтобы существующая электрическая инфраструктура могла безопасно поддерживать районы со значительным увеличением спроса, связанного с электромобилями, в зависимости от того, когда, где и на каком уровне мощности транспортные средства заряжаются.
Спрос на электроэнергию растет и падает в зависимости от времени суток и времени года. Мощности по производству, передаче и распределению электроэнергии должны быть в состоянии удовлетворить спрос в периоды пикового использования; но большую часть времени инфраструктура электроснабжения не работает на полную мощность. В результате электромобилям вряд ли потребуется увеличение пропускной способности сети.
Согласно исследованию Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории, существующая электроэнергетическая инфраструктура США имеет достаточную мощность для удовлетворения около 73% энергетических потребностей легковых автомобилей страны. Согласно моделям развертывания, разработанным исследователями из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL), разнообразие электрических нагрузок домашних хозяйств и нагрузок электромобилей должно способствовать внедрению и росту рынка электромобилей по мере расширения сетей «умных сетей». Сети интеллектуальных сетей обеспечивают двустороннюю связь между коммунальным предприятием и его клиентами, а также наблюдение за линиями электропередачи с помощью интеллектуальных счетчиков, интеллектуальных приборов, возобновляемых источников энергии и энергосберегающих ресурсов.
Сети интеллектуальных сетей могут обеспечивать возможность мониторинга и защиты жилой распределительной инфраструктуры от любых негативных воздействий из-за повышенного спроса на электроэнергию для транспортных средств, поскольку они способствуют зарядке в непиковые периоды и снижают затраты для коммунальных служб, операторов сетей и потребителей.
Анализ NREL также продемонстрировал потенциал синергии между электромобилями и распределенными источниками возобновляемой энергии. Например, маломасштабные возобновляемые источники энергии, такие как солнечные батареи на крыше, могут как обеспечивать чистую энергию для транспортных средств, так и снижать спрос на распределительную инфраструктуру за счет выработки электроэнергии рядом с точкой потребления. Чтобы коммунальные предприятия могли в полной мере реализовать преимущества этих технологий, необходимо внедрить интеллектуальное управление зарядкой, чтобы влиять на зарядку электромобилей.
Коммунальные предприятия, производители транспортных средств, производители зарядного оборудования и исследователи работают над тем, чтобы электромобили плавно интегрировались в электрическую инфраструктуру США.
Некоторые коммунальные службы предлагают более низкие тарифы в непиковое время, чтобы стимулировать зарядку жилых транспортных средств, когда спрос на электроэнергию самый низкий. Транспортные средства и многие типы зарядного оборудования (также известного как оборудование для питания электромобилей или EVSE) можно запрограммировать на отсрочку зарядки до непикового времени. «Умные» модели даже способны связываться с сетью, агрегаторами нагрузки или владельцами объектов/домов, позволяя им автоматически взимать плату, когда спрос на электроэнергию и цены на нее оптимальны; например, когда цены самые низкие, соответствующие местным потребностям распределения (таким как температурные ограничения) или соответствующие возобновляемым источникам энергии.
Электричество в США – Управление энергетической информации США (EIA)
Электричество в Соединенных Штатах производится (вырабатывается) с использованием различных источников энергии и технологий
Соединенные Штаты используют множество различных источников энергии и технологий для производства электроэнергии.
Источники и технологии со временем изменились, и некоторые из них используются больше, чем другие.
Тремя основными категориями энергии для производства электроэнергии являются ископаемые виды топлива (уголь, природный газ и нефть), ядерная энергия и возобновляемые источники энергии. Большая часть электроэнергии вырабатывается паровыми турбинами с использованием ископаемого топлива, ядерной энергии, биомассы, геотермальной и солнечной тепловой энергии. Другие основные технологии производства электроэнергии включают газовые турбины, гидротурбины, ветряные турбины и солнечные фотоэлектрические элементы.
Нажмите, чтобы увеличить
Ископаемые виды топлива являются крупнейшими источниками энергии для производства электроэнергии
Природный газ был крупнейшим источником — около 38% — производства электроэнергии в США в 2021 году. Природный газ используется в паровых и газовых турбинах для выработки электричество.
Уголь был вторым по величине источником энергии для производства электроэнергии в США в 2021 году — около 22%.
Почти все угольные электростанции используют паровые турбины. Несколько угольных электростанций преобразуют уголь в газ для использования в газовой турбине для выработки электроэнергии.
Нефть была источником менее 1% производства электроэнергии в США в 2021 году. Остаточный мазут и нефтяной кокс используются в паровых турбинах. Дистиллятное или дизельное топливо используется в дизель-генераторах. Остаточный мазут и дистилляты также можно сжигать в газовых турбинах.
Нажмите, чтобы увеличить
Ядерная энергия обеспечивает около одной пятой электроэнергии в США
Ядерная энергия была источником около 19% производства электроэнергии в США в 2021 году. Атомные электростанции используют паровые турбины для производства электроэнергии за счет ядерного деления.
Возобновляемые источники энергии обеспечивают все большую долю электроэнергии в США
Многие возобновляемые источники энергии используются для производства электроэнергии и были источником около 20% от общего объема производства электроэнергии в США в 2021 году.
Нажмите, чтобы увеличить
6,3% от общего объема производства электроэнергии в США и около 31,5% производства электроэнергии за счет возобновляемых источников энергии в 2021 году. 1 Гидроэлектростанции используют проточную воду для вращения турбины, соединенной с генератором.
Энергия ветра была источником около 9,2% от общего объема производства электроэнергии в США и около 46% производства электроэнергии за счет возобновляемых источников энергии в 2021 году. Ветряные турбины преобразуют энергию ветра в электричество.
Биомасса была источником около 1,3% от общего объема производства электроэнергии в США и около 6,7% производства электроэнергии за счет возобновляемых источников энергии в 2021 году. Биомасса сжигается непосредственно на пароэлектростанциях или может быть преобразована в газ, который можно сжигаются в парогенераторах, газовых турбинах или генераторах двигателей внутреннего сгорания.
Солнечная энергия обеспечила около 2,8% от общего объема электроэнергии в США и около 13,5% производства электроэнергии за счет возобновляемых источников энергии в 2021 году.