Розвиток тес. Розвиток ТЕЦ в сучасних російських умовах. Перспективи розвитку електроенергетики
Незважаючи на бурхливий розвиток галузей нетрадиційної енергетики в останні десятиліття більшість виробленої в світі електроенергії як і раніше доводиться на частку енергії, одержуваної на теплових електростанціях. При цьому зростає з кожним роком потреба в електриці надає стимулюючу дію на розвиток теплової енергетики. Енергетики в усьому світі працюють в сторону удосконалення ТЕС, підвищення їх надійності, екологічної безпеки та ефективності.
ЗАВДАННЯ ТЕПЛОЕНЕРГЕТИКИ
Теплоенергетика - це галузь енергетики, в центрі уваги якої знаходяться процеси перетворення тепла в інші види енергії. Сучасні теплоенергетики, грунтуючись на теорії горіння і теплообміну, займаються вивченням і удосконаленням існуючих енергоустановок, досліджують теплофізичні властивості теплоносіїв і прагнуть мінімізувати шкідливий екологічний вплив від роботи теплових електростанцій.
енергоустановки
Теплова енергетика немислима без теплоелектростанцій. Теплові енергоустановки функціонують за такою схемою. Спочатку паливо органічного походження подається в топку, де воно спалюється і нагріває, що проходить по трубах воду. Вода, нагріваючись, перетворюється на пару, яка змушує обертатися турбіну. А завдяки обертанню турбіни активізується електрогенератор, завдяки якому генерується електричний струм. В якості палива в теплових електростанціях використовується нафту, вугілля та інші поновлювані джерела енергії.
Крім ТЕС, існують також установки, в яких теплова енергія перетворюється в електричну без допоміжної допомоги електрогенератора. Це теплоелектричні, магніто-гідродинамічні генератори та інші енергоустановки.
ЕКОЛОГІЧНІ ПРОБЛЕМИ ТЕПЛОЕНЕРГЕТИКИ
Головним негативним фактором у розвитку теплоенергетики став ту шкоду, якої завдають довкіллю в процесі своєї роботи теплові електростанції. При згорянні палива в атмосферу викидається величезна кількість шкідливих викидів. До них відносяться і летючі органічні сполуки, і тверді частинки золи, і газоподібні оксиди сірки і азоту, і леткі сполуки важких металів. Крім того, ТЕС сильно забруднюють воду і псують ландшафт через необхідність організації місць для зберігання шлаків, золи або палива.
Також, функціонування ТЕС пов'язане з викидами парникових газів. Адже теплові електричні станції викидають величезну кількість CO 2, накопичення якого в атмосфері змінює тепловий баланс планети і стає причиною виникнення парникового ефекту - однією з найактуальніших і найсерйозніших екологічний проблем сучасності.
Ось чому найважливіше місце в сучасних розробках теплової енергетики повинно відводитися винаходів та інновацій, здатним удосконалити ТЕС в сторону їх екологічної безпеки. Мова йде про нові технології очищення палива, використовуваного ТЕС, створенні, виробництві та установці на ТЕС спеціальних очисних фільтрів, будівництва нових теплових електростанцій, спроектованих спочатку з урахуванням сучасних екологічних вимог.
ПЕРСПЕКТИВИ РОЗВИТКУ
Теплоенергетичні пристрою є, і ще дуже довго будуть основним джерелом електричної енергії для людства. Тому теплоенергетики усього світу продовжують посилено розвивати цю перспективну галузь енергетики. Їх зусилля, перш за все, спрямовані на підвищення ефективності теплових електростанцій, необхідність якого диктується як економічними, так і екологічними факторами.
Жорсткі вимоги світової спільноти до екологічної безпеки енергетичних об'єктів, стимулюють інженерів на розробку технологій, що знижують викиди ТЕС до гранично допустимих концентрацій.
Аналітики стверджують, що сучасні умови такі, що перспективними виявляться в майбутньому ТЕС, що працюють на вугіллі або газі, тому саме в даному напрямку теплоенергетики усього світу прикладають найбільше зусиль.
Домінуюча роль теплоенергетики в забезпеченні світових людських потреб в електриці буде зберігатися ще тривалий час. Адже, незважаючи на прагнення розвинених країн якомога швидше перейти на більш безпечні з екологічної точки зору і доступні (що важливо в світлі кризи, що наближається вичерпання органічного палива) джерела енергії, швидкий перехід до нових способів отримання енергії неможливий. А це означає, що теплоенергетика буде активно розвиватися і далі, але, зрозуміло, з урахуванням нових вимог до екологічної безпеки використовуваних технологій.
Електроенергетика, як і інші галузі промисловості, має свої проблеми і перспективи розвитку.
В даний час електроенергетика Росії знаходиться в кризі. Поняття "енергетична криза" можна визначити, як напружений стан, що склалося в результаті розбіжності між потребами сучасного суспільства в енергії і запасами енергоресурсів, в тому числі внаслідок нераціональної структури їх споживання.
У Росії можна на даний момент виділити 10 груп найбільш гострих проблем:
- 1). Наявність великої частки фізично і морально застарілого обладнання. Збільшення частки фізично зношених фондів призводить до зростання аварійності, частих ремонтів і зниження надійності енергопостачання, що посилюється надмірним завантаженням виробничих потужностей і недостатніми резервами. На сьогоднішній день знос устаткування одна з найважливіших проблем електроенергетики. На російських електростанціях він дуже великий. Наявність великої частки фізично і морально застарілого обладнання ускладнює ситуацію з забезпеченням безпеки роботи електростанцій. Близько однієї п'ятої виробничих фондів в електроенергетиці близькі або перевищили проектні терміни експлуатації і потребують реконструкції або заміни. Оновлення обладнання ведеться неприпустимо низькими темпами і в явно недостатньому обсязі (таблиця).
- 2). Основною проблемою енергетики є також те, що поряд з чорною і кольоровою металургією енергетика надає потужний негативний вплив на навколишнє середовище. Підприємства енергетики формують 25% всіх викидів промисловості.
У 2000 році обсяги викидів шкідливих речовин в атмосферу становили 3,9 тонн в тому числі викиди від ТЕС - 3, 5 млн тонн. На діоксид сірки доводиться до 40% загального обсягу викидів, твердих речовин - 30%, оксидів азоту - 24%. Тобто ТЕС є головною причиною формування кислотних залишків.
Найбільшими забруднювачами атмосфери є Рафтінская ГРЕС (м Азбест, Свердловська область) - 360 тис. Тонн, Новочеркаська (м Новочеркаськ, Ростовська обл.) - 122 тис. Тонн, Троїцька (м Троїцьк-5, Челябінська обл.) - 103 тис. тонн, Верхнетагильская (Свердловська обл.) - 72 тис. тонн.
Енергетика є і найбільшим споживачем прісної і морської води, що витрачається на охолодження агрегатів і використовуваної в якості носія тепла. На частку галузі припадає 77% загального обсягу свіжої води, використаної промисловістю Росії.
Обсяг стічних вод, скинутих підприємствами галузі в поверхневі водойми, в 2000 р Склав 26,8 млрд куб. м. (на 5,3% більше ніж у 1999р.). Найбільшими джерелами забруднення водних об'єктів є ТЕЦ, в той час як ГРЕС - головних джерел забруднення повітря. Це ТЕЦ-2 (г. Владивосток) - 258 млн куб. м, Безимянская ТЕЦ (Самарська область) - 92 млн куб. м, ТЕЦ-1 (р Ярославль) - 65 млн куб. м, ТЕЦ-10 (р Ангарськ, Іркутська обл.) - 54 млн куб. м, ТЕЦ-15 і Першотравнева ТЕЦ (Санкт-Петербург) - сумарно 81 млн куб. м.
В енергетиці утворюється і велика кількість токсичних відходів (шлаки, зола). У 2000 р обсяг токсичних відходів склав 8,2 млн тонн.
Крім забруднення повітря і води, підприємства енергетики забруднюють грунти, а гідроелектростанції надають великий вплив на режим річок, річкові та заплавні екосистеми.
- 3). Жорстка тарифна політика. В електроенергетиці поставлені питання про економічніше використання енергії та про тарифи на неї. Можна говорити про необхідність економії електроенергії, що виробляється. Адже в даний час в країні витрачається на одиницю продукції в 3 рази більше енергії, ніж в США. У цій області чекає велика робота. У свою чергу тарифи на енергію зростають випереджаючими темпами. Діючі в Росії тарифи і їх співвідношення не відповідають світовій і європейській практиці. Існуюча тарифна політика привела до збиткової діяльності та низьку рентабельність ряду АТ-енерго.
- 4). Ряд районів вже відчуває труднощі з забезпеченням електроенергією. Поряд з Центральним районом, дефіцит електроенергії відзначається в Центрально-Чорноземному, Волго-Вятському і Північно-Західному економічних районах. Наприклад, в Центральному економічному районі в 1995 році було вироблено величезна кількість електроенергії - 19% від загальноукраїнських показників (154,7 млрд. КВт), але вона вся витрачається всередині регіону.
- 5). Скорочується приріст потужностей. Це пояснюється неякісним паливом, зношеністю обладнання, проведенням робіт з підвищення безпеки блоків і рядом інших причин. Неповне використання потужностей ГЕС відбувається через малу водності річок. В даний час 16% потужностей електростанцій Росії вже відпрацювали свій ресурс. З них на ГЕС припадає 65%, на ТЕС - 35%. Введення нових потужностей скоротився до 0,6 - 1,5 млн кВт на рік (1990-2000.) В порівнянні з 6-7 млн \u200b\u200bкВт на рік (1976-1985гг.).
- 6). Виник протидію громадськості та місцевих органів влади розміщення об'єктів електроенергетики у зв'язку з їх вкрай низькою екологічною безпекою. Зокрема після Чорнобильської катастрофи були припинені багато вишукувальні роботи, будівництво і розширення АЕС на 39 майданчиках загальною проектною потужністю 109 млн кВт.
- 7). Неплатежі, як з боку споживачів електроенергії, так і з боку енергокомпаній за паливо, обладнання та ін .;
- 8). Недолік інвестицій, пов'язаний як з відзначенням тарифною політикою, так і з фінансової "непрозорістю" галузі. Найбільші західні стратегічні інвестори готові вкладати кошти в російську електроенергетику лише за умови зростання тарифів, щоб забезпечити повернення вкладень.
- 9). Перебої в енергопостачанні окремих регіонів, зокрема Примор'я;
- 10). Невисокий коефіцієнт корисного використання енергоресурсів. Це означає, що 57% енергоресурсів щорічно втрачається. Велика частина втрат відбувається на електростанціях, в двигунах, безпосередньо використовують пальне, а також в технологічних процесах, де паливо служить сировиною. При транспортуванні палива також відбуваються великі втрати енергоресурсів.
Щодо перспектив розвитку електроенергетики в Росії, то, незважаючи на всі свої проблеми, електроенергетика має достатні перспективи.
Наприклад, робота ТЕС вимагає видобутку величезного обсягу невідновлюваних ресурсів, має досить низький ККД, веде до забруднення навколишнього середовища. У Росії теплові електростанції працюють на мазуті, газі, вугіллі. Однак на даному етапі привабливими є регіональні енергокомпанії з високою питомою вагою газу в структурі паливного балансу, як більш ефективного та екологічно вигідного палива. Зокрема можна відзначити, що електростанції, що працюють на газі, викидають в атмосферу на 40% менше вуглекислого газу. Крім того газові станції мають більш високий коефіцієнт використання встановленої потужності в порівнянні з мазутними і вугільними станціями, відрізняються більш стабільним теплопостачанням і не несуть витрат по зберіганню палива. Працюючі на газі станції знаходяться в кращому стані, ніж вугільні та мазутні, так як вони відносно недавно введені в експлуатацію. А також ціни на газ регулюються державою. Таким чином, стає більш перспективним будівництво теплових електростанцій, паливом для яких є газ. Також на ТЕС перспективно використання пилоочисного обладнання з максимально можливим ККД, при цьому утворюється золу використовувати в якості сировини при виробництві будівельних матеріалів.
Будівництво ГЕС в свою чергу потребує затоплення великої кількості родючих земель, або в результаті тиску води на земну кору ГЕС може викликати землетрус. Крім цього скорочуються рибні запаси в річках. Перспективним стає будівництво порівняно невеликих ГЕС, які не потребують серйозних капіталовкладень, які працюють в автоматичному режимі переважно в гірській місцевості, а також - обвалування водосховищ для звільнення родючих земель.
Що ж стосується ядерної енергетики, то будівництво АЕС має певний ризик, через те, що важко передбачити масштаби наслідків при ускладненні роботи енергоблоків АЕС або при форс-мажорних обставинах. Також не вирішена проблема утилізації твердих радіоактивних відходів, недосконала і система захисту. Ядерна електроенергетика має найбільші перспективи в розвитку термоядерних електростанцій. Це практично вічне джерело енергії, майже нешкідливий для навколишнього середовища. Розвиток атомної електроенергетики в найближчій перспективі буде засновано на безпечній експлуатації існуючих потужностей, з поступовою заміною блоків першого покоління, найбільше зробленими російськими реакторами. Найбільший очікуваний ріст потужностей відбудеться за рахунок завершення будівництва вже початих станцій.
Існує 2 протилежні концепції подальшого існування ядерної електроенергетики в країні.
- 1. Офіційна, яка підтримується Президентом і Урядом. Грунтуючись на позитивних рисах АЕС, вони пропонують програму широкого розвитку електроенергетики Росії.
- 2. Екологічна, на чолі якої стоїть академік Яблоков. Прихильники цієї концепції повністю відкидають можливість нового будівництва атомних електростанцій, як з екологічних, так і з економічних міркувань.
Є й проміжні концепції. Наприклад ряд фахівців вважає, що потрібно ввести мораторій на будівництво атомних електростанцій спираючись на недоліки АЕС. Інші ж припускають, що зупинка розвитку ядерної електроенергетики може привести до того, що Росія повністю втратить свій науково-технічний і промисловий потенціал в ядерній енергетиці.
Виходячи з усіх негативних впливів традиційної енергетики на навколишнє середовище, велика увага приділяється вивченню можливостей використання нетрадиційних, альтернативних джерел енергії. Практичне застосування вже отримали енергія припливів і відливів і внутрішнє тепло Землі. Вітрові енергоустановки є в житлових селищах Крайньої Півночі. Ведуться роботи з вивчення можливості використання біомаси в якості джерела енергії. У майбутньому, можливо, величезну роль буде грати геліоенергетика.
Досвід розвитку вітчизняної електроенергетики виробив такі принципи розміщення і функціонування підприємств цієї галузі промисловості:
- 1. концентрація виробництва електроенергії на великих районних електростанціях, що використовують відносно дешеве паливо і енергоресурси;
- 2. комбінування виробництва електроенергії і тепла для теплофікації населених пунктів, насамперед міст;
- 3. широке освоєння гідроресурсів з урахуванням комплексного вирішення завдань електроенергетики, транспорту, водопостачання;
- 4. необхідність розвитку атомної енергетики, особливо в районах з напруженим паливно-енергетичним балансом, з урахуванням безпеки використання АЕС;
- 5. створення енергосистем, формують єдину високовольтну мережу країни.
На даний момент Росії потрібна нова енергетична політика, яка була б достатньо гнучкою і передбачала всі особливості даної галузі, в тому числі і особливості розміщення. В якості основні завдання розвитку російської енергетики можна виділити наступні:
ь Зниження енергоємності виробництва.
ь Збереження цілісності та розвиток Єдиної енергетичної системи Росії, її інтеграція з іншими енергооб'єднаннями на Євразійському континенті;
ь Підвищення коефіцієнта використовуваної потужності електростанцій, підвищення ефективності функціонування і забезпечення сталого розвитку електроенергетики на базі сучасних технологій;
ь Повний перехід до ринкових відносин, звільнення цін на енергоносії, повний перехід на світові ціни.
ь Якнайшвидше відновлення парку електростанцій.
ь Приведення екологічних параметрів електростанцій до рівня світових стандартів, зниження шкідливого впливу на навколишнє середовище
Виходячи з даних завдань створена "Генеральна схема розміщення об'єктів електроенергетики до 2020 року", схвалена Урядом РФ. (Діаграма 2)
Пріоритетами Генеральної схеми в рамках встановлених орієнтирів довгострокової державної політики в сфері електроенергетики є:
ь випереджальний розвиток електроенергетичної галузі, створення в ній економічно обґрунтованої структури генеруючих потужностей і електромережних об'єктів для надійного забезпечення споживачів країни електричної і теплової енергії;
ь оптимізація паливного балансу електроенергетики за рахунок максимально можливого використання потенціалу розвитку атомних, гідравлічних, а також використовують вугілля теплових електростанцій і зменшення в паливному балансі галузі використання газу;
ь створення мережевої інфраструктури, що розвивається випереджаючими темпами в порівнянні з розвитком електростанцій і забезпечує повноцінну участь енергокомпаній і споживачів у функціонуванні ринку електричної енергії та потужності, посилення міжсистемних зв'язків, що гарантують надійність взаємних поставок електричної енергії і потужності між регіонами Росії, а також можливість експорту електричної енергії ;
ь мінімізація питомих витрат палива на виробництво електричної та теплової енергії шляхом впровадження сучасного високоекономічного обладнання, що працює на твердому і газоподібному паливі;
ь зниження техногенного впливу електростанцій на навколишнє середовище шляхом ефективного використання паливно-енергетичних ресурсів, оптимізації виробничої структури галузі, технологічного переозброєння та виведення з експлуатації застарілого обладнання, збільшення обсягу природоохоронних заходів на електростанціях, реалізації програм з розвитку і використання поновлюваних джерел енергії.
За результатами моніторингу в Уряд Російської Федерації щорічно подається доповідь про хід реалізації Генеральної схеми. Через кілька років буде видно, наскільки вона ефективна і наскільки реалізуються її положення по використанню всіх перспектив розвитку російської енергетики.
У перспективі Росія повинна відмовитися від будівництва нових великих теплових і гідравлічних станцій, що вимагають величезних інвестицій і створюють екологічну напруженість. Передбачається будівництво ТЕЦ малої та середньої потужності і малих АЕС у віддалених північних і східних регіонах. На Далекому Сході передбачається розвиток гідроенергетики за рахунок будівництва каскаду середніх і малих ГЕС. Нові ТЕЦ будуть будуватися на газі, і тільки в Кансько-Ачинського басейні передбачається будівництво потужних конденсаційних ГРЕС через дешеву, відкритого видобутку вугілля. Має перспективи використання геотермальної енергії. Районами, найбільш перспективними для широкого використання термальних вод є Західна і Східна Сибір, а також Камчатка, Чукотка, Сахалін. У перспективі масштаби використання термальних вод будуть неухильно зростати. Проводяться дослідження по залученню невичерпних джерел енергії, таких як енергія Сонця, вітру, припливів і ін., В господарський оборот, що дасть можливість забезпечити в країні економію енергоресурсів, особливо мінерального палива.
На початку XXI століття питання модернізації і розвитку енергетики Росії вкрай загострився з урахуванням наступних факторів:
Знос обладнання електростанцій, теплових і електричних мереж до кінця першого десятиліття міг перевищити 50%, а це означало, що до 2020 року знос міг досягти 90%;
Техніко-економічні показники виробництва і транспорту енергії рясніють численними вогнищами непродуктивних витрат первинних енергоресурсів;
Рівень оснащення об'єктів енергетики засобами автоматики, захистів і інформатики знаходиться на рівні значно нижчому, ніж на об'єктах енергетики країн Західної Європи і США;
Первинний енергоресурс на ТЕС Росії використовується з ККД не перевищує 32 - 33%, на відміну від країн, які застосовують передові технології паросилового циклу з ККД до 50% і вище;
Уже в першому п'ятилітті XXI століття у міру стабілізації економіки Росії стало очевидним, що енергетика з «локомотива» економіки може перетвориться в «смугу перешкод». До 2005 р енергосистема Московського регіону стала дефіцитною;
Пошук додаткових коштів для модернізації та розвитку енергетичної бази Росії в умовах ринкової економіки і реформування енергетики, виходячи з ринкових принципів.
У цих умовах були створені кілька програм, однак їх доповнення та «розвиток» тривають.
Ось одна з програм створених в кінці минулого століття (табл. 6).
Таблиця 6. Уведення потужностей електростанцій, млн. КВт.
Таблиця 7. Інвестиційні потреби електроенергетики, млрд. Дол.
Гострота стану справ з енергопостачанням економіки Росії і соціальної сфери за оцінками фахівців РАО «ЄЕС Росії» ілюструється появою енергодефіцитних регіонів (в осінньо-зимовий період максимуму навантажень споживання).
Так виникла енергопрограмм ГОЕЛРО-2. Слід зауважити, що в різних джерелах наводяться значно відмінні один від одного показники. Саме тому в попередніх таблицях (табл. 6, табл. 7) нами наведені максимальні з опублікованих показників. Очевидно, що цей «стельовий» рівень прогнозів може бути використаний як орієнтир.
У число основних напрямків слід включити:
1. Орієнтація на створення ТЕС на твердому паливі. У міру приведення цін на природний газ до рівня світових, ТЕС на твердому паливі будуть економічно обґрунтовані. Сучасні методи спалювання вугілля (в циркулюючому киплячому шарі), а далі вугільні технології комбінованого циклу з попередньою газифікацією вугілля або його спалювання в котлах киплячого шару під тиском дозволяють зробити ТЕС на твердому паливі конкурентними на «ринку» ТЕС майбутнього.
2. Застосування «дорогого» природного газу на знову споруджуваних ТЕС буде обгрунтовано лише при використанні установок комбінованого циклу, а також при створенні міні-ТЕС на базі ГТУ і т.п.
3. Технічне переозброєння існуючих ТЕС через наростаючого фізичного і морального зносу залишиться пріоритетним напрямком. Слід зауважити, що при заміні вузлів і агрегатів з'являється можливість впровадження досконалих технічних рішень, в тому числі і в питаннях автоматизації та інформатики.
4. Розвиток атомної енергетики в найближчій перспективі пов'язано із завершенням будівництва блоків високої готовності, а також проведенням робіт з продовження терміну служби АЕС на економічно виправданий період часу. У більш віддаленій перспективі вводи потужностей на АЕС повинні вестися шляхом заміни демонтованих блоків на енергоблоки нового покоління, що відповідають сучасним вимогам безпеки.
Майбутній розвиток атомної енергетики обумовлено рішенням ряду проблем, основними з яких є досягнення повної безпеки діючих і нових АЕС, закриття відпрацювали свій ресурс АЕС, забезпечення економічної конкурентоспроможності атомної енергетики в порівнянні з альтернативними енергетичними технологіями.
5. Важливим напрямком в електроенергетиці для сучасних умов є розвиток мережі розподілених генеруючих потужностей шляхом будівництва невеликих електростанцій, в першу чергу, ТЕЦ невеликої потужності з ПГУ і ГТУ
Негативні екологічні і соціальні наслідки будівництва великих ГЕС змушують уважно подивитися на їх можливе місце в електроенергетиці майбутнього.
майбутнє ГЕС
Великі гідроелектростанції виконують такі функції в енергосистемі:
- виробництво електроенергії;
- швидке узгодження потужності генерації з споживаної потужністю, стабілізація частоти в енергосистемі;
- накопичення і зберігання енергії в формі потенційної енергії води в поле тяжіння Землі з перетворенням в електроенергію в будь-який час.
Вироблення електроенергії і маневр потужністю можливі на ГЕС будь-якого масштабу. А накопичення енергії термін від декількох місяців до декількох років (на зиму і на маловодні роки) вимагає створення великих водосховищ.
Для порівняння: автомобільний акумулятор масою 12 кг напругою 12 В і ємністю 85 амперчасах може зберігати 1,02 кіловат-години (3,67 МДж). Щоб запасти стільки енергії і перетворити її в електричну в гідроагрегат з ККД 0,92, потрібно підняти 4 тонни (4 куб.м) води на висоту 100 м. Або 40 тонн води на висоту 10 м.
Щоб ГЕС потужністю всього 1 МВт працювала на запасеної воді 5 місяців в році по 6 годин на день на запасеної воді, потрібно на висоті 100 м накопичити і потім пропустити через турбіну 3,6 мільйона тонн води. При площі водосховища 1 кв.км зниження рівня складе 3,6 м. Такий же обсяг вироблення на дизельної електростанції з ККД 40% потребують 324 т солярки. Таким чином, в холодному кліматі збереженої енергії води на зиму вимагає високих гребель і великих водосховищ.
Крім того, на б прольшей частини території Росії в зоні вічної мерзлоти малі і середні річки взимку промерзають до дна. У цих краях малі ГЕС взимку не приносять користі.
Великі ГЕС неминуче перебувають на значній відстані від багатьох споживачів, і слід враховувати витрати на будівництво ліній електропередачі і втрати енергії а нагрів проводів. Так, для Транссибірської (Шілкінская) ГЕС вартість будівництва ЛЕП-220 до Транссибу протяжністю всього 195 км (дуже мало для такої будівництва) перевищує 10% всіх витрат. Витрати на будівництво мереж електропередачі настільки істотні, що в Китаї потужність вітряків, до сих пір не підключених до мережі, перевищує потужність всієї енергетики Росії на схід від Байкалу.
Таким чином, перспективи гідроенергетики залежать від прогресу технологій і виробництва, і зберігання і передачі енергії в сукупності.
Енергетика - дуже капіталомістка і тому консервативна галузь. До сих пір працюють деякі електростанції, особливо ГЕС, побудовані на початку двадцятого століття. Тому для оцінки перспективи на півстоліття замість об'ємних показників того чи іншого виду енергетики важливіше дивитися на швидкість прогресу в кожній технології. Відповідні показники технічного прогресу в генерації - ККД (або відсоток втрат), одинична потужність агрегатів, вартість 1 кіловата потужності генерації, вартість передачі 1 кіловата на 1 км, вартість зберігання 1 кіловат-години на добу.
акумулювання енергії
зберігання електроенергії - нова галузь в енергетиці. Довгий час люди зберігали паливо (дрова, вугілля, потім нафту і нафтопродукти в цистернах, газ в ємностях під тиск і підземних сховищах). Потім з'явилися накопичувачі механічної енергії (піднятої води, стисненого повітря, супермаховики і ін.), Серед них лідером залишаються гідроакумулюючі електростанції.
Поза зон вічної мерзлоти тепло, накопичене сонячними водонагрівачами, вже можна закачувати під землю для опалення будинків взимку. Після розпаду СРСР припинилися досліди по використанню енергії сонячного тепла для хімічних перетворень.
Відомі хімічні акумулятори мають обмежену кількість циклів заряд-розряд. Суперконденсатори мають набагато б про більшу довговічність, але їх ємність поки недостатня. Дуже швидко удосконалюються накопичувачі енергії магнітного поля в надпровідних котушках.
Прорив в поширенні накопичувачів електроенергії відбудеться, коли ціна знизиться до 1 дол. За кіловат-годину. Це дозволить широко використовувати види електрогенерації, не здатні працювати безперервно (сонячна, вітрова, приливна енергетика).
Альтернативна енергетика
з технологій генерації швидше за все зараз відбуваються зміни в сонячній енергетиці. Сонячні батареї дозволяють виробляти енергію в будь-якому потребном кількості - від зарядки телефону до постачання мегаполісів. Енергії Сонця на Землі в сотню разів більше, ніж інших видів енергії разом узятих.
Вітроелектростанції пройшли період зниження цін і знаходяться на етапі зростання розмірів веж і потужності генераторів. У 2012 році потужність всіх вітряків світу перевершила потужність всіх електростанцій СРСР. Однак в 20-і роки 21 століття можливості поліпшення вітряків будуть вичерпані і двигуном зростання залишиться сонячна енергетика.
Технологія великих ГЕС минула свій «зоряний час», з кожним десятиліттям великих ГЕС будують все менше. Увага винахідників та інженерів перемикається на приливні і хвильові електростанції. Однак припливи і великі хвилі є не скрізь, тому їх роль буде невелика. У 21 столітті ще будуть будувати малі ГЕС, особливо в Азії.
Отримання електроенергії за рахунок тепла, що йде з надр Землі (геотермальна енергетика) перспективно, але лише в окремих районах. Технології спалювання органічного палива ще кілька десятиліть будуть складати конкуренцію сонячної і вітрової енергетики, особливо там, де мало вітру і сонця.
Швидше за все вдосконалюються технології отримання пального газу шляхом бродіння відходів, піролізу або розкладання в плазмі). Проте, тверді побутові відходи завжди перед газифікацією вимагатимуть сортування (а краще роздільного збору).
технології ТЕС
ККД парогазових електростанцій перевищив 60%. Переобладнання всіх газових ТЕЦ в парогазові (точніше, газопарові) дозволить збільшити вироблення електроенергії більш ніж на 50% без збільшення спалювання газу.
Вугільні і мазутні ТЕЦ набагато гірше газових і по ККД, і за ціною обладнання, і за кількістю шкідливих викидів. Крім того, видобуток вугілля вимагає найбільше людських життів на мегават-годину електроенергії. Газифікація вугілля на кілька десятиліть продовжить існування вугільної галузі, але навряд чи професія шахтаря доживе до 22 століття. Дуже ймовірно, що парові і газові турбіни будуть витіснені швидко удосконалюються паливними елементами в яких хімічна енергія перетворюється в електричну минаючи стадії отримання теплової та механічної енергії. Поки ж паливні елементи дуже дорогі.
Атомна енергетика
Коефіцієнт корисної дії АЕС останні 30 років ріс повільніше за все. Удосконалення ядерних реакторів, кожен з яких коштує кілька мільярдів доларів, відбувається дуже повільно, а вимоги безпеки призводять до зростання вартості будівництва. «Ядерний ренесанс» не відбувся. З 2006 р в світі введення потужностей АЕС менше не тільки введення вітрових, але і сонячних. Проте, ймовірно що деякі АЕС доживуть до 22 століття, хоча через проблеми радіоактивних відходів їх кінець неминучий. Можливо, в 21 столітті працюватимуть і термоядерні реактори, але їх мале число, безумовно, «погоди не зробить».
До сих пір залишається неясною можливість реалізації «холодного термояда». В принципі, можливість термоядерної реакції без надвисоких температур і без освіти радіоактивних відходів не суперечить законам фізики. Але перспективи отримання таким способом дешевої енергії дуже сумнівні.
Нові технології
І трохи фантастики в кресленнях. Зараз в Росії проходять перевірку три нових принципу ізотермічного перетворення теплоти в електрику. У цих дослідів дуже багато скептиків: адже порушується другий початок термодинаміки. Поки отримана одна десята мікровата. У разі успіху, спочатку з'являться батарейки для годин і приладів. Потім лампочки без проводів. Кожна лампочка стане джерелом прохолоди. Кондиціонери вироблятимуть електроенергію замість того щоб споживати її. Провід в будинку стануть не потрібні. Коли фантастика стане реальністю - судити рано.
А поки дроти нам потрібні. Більше половини ціни кіловат-години в Росії припадає на вартість будівництва та утримання ліній електропередач і підстанцій. Більше 10% електроенергії, що виробляється йде на нагрів проводів. Знизити витрати і втрати дозволяють «розумні мережі», автоматично керуючі безліччю споживачів і виробників енергії. У багатьох випадках для зниження втрат краще передавати постійний струм, ніж змінний. Взагалі уникнути нагріву проводів можна, зробивши їх сверхпроводящими. Однак надпровідники, що працюють при кімнатній температурі, не знайдені і невідомо, чи будуть знайдені.
Для малонаселених територій з високими витратами на транспортування також важлива поширеність і загальнодоступність джерел енергії.
Найбільш поширена енергія Сонця, але Сонце видно не завжди (особливо за Полярним колом). Зате взимку і вночі часто дме вітер, але не завжди і не скрізь. Проте, ветросолнечние електростанції вже зараз дозволяють в рази знизити витрату солярки в віддалених селищах.
Деякі геологи запевняють, що нафта і газ утворюються майже повсюдно і в наші дні з вуглекислого газу, що потрапляє з водою під землю. Правда, використання гідророзриву пластів ( «фрекінгу») руйнує природні місця, де нафта і газ можуть накопичуватися. Якщо це вірно, то невелика кількість нафти і газу (в десятки разів менше, ніж зараз) можна добувати майже всюди без шкоди для геохімічного кругообігу вуглецю, ось тільки експортувати вуглеводні - значить, позбавляти себе майбутнього.
Різноманітність природних ресурсів в світі означає, що стійке отримання електроенергії вимагає поєднання різних технологій стосовно до місцевих умов. У будь-якому випадку, необмежену кількість енергії на Землі отримати не можна і по екологічним, і по ресурсним причин. Тому зростання виробництва електроенергії, сталі, нікелю та інших матеріальних речей на Землі в найближчому столітті неминуче зміниться зростанням виробництва інтелектуального і духовного.
Ігор Едуардович Шкрадюк
Теплова частина електростанцій на кожному етапі свого розвитку визначається насамперед технічним рівнем основних агрегатів теплоенергетичного обладнання: парових котлів і парових двигунів.
Залежно від потужності, параметрів і габаритів цього обладнання вирішувалися питання компонування станцій, у розвитку яких можна виділити 4 етапи.
Перший етап характеризується застосуванням ручних топок з шаровим спалюванням палива на плоских колосникових решітках, розташованих під котлами різних типів - від жаротрубних до горизонтальних водотрубних. Паропроизводительность водотрубних котлів 3 т / год і потужність парових двигунів до 5000 кВт. Застосовували пар тиском до 15 атм. з перегрівом до 300 ° С.
Цей етап для найбільш розвинених в економічному відношенні країн відноситься в основному до кінця XIX століття.
Перша чверть XX століття характеризується якісними змінами в трьох напрямках:
Механізація топок, так як ручне завантаження стає непосильним при зрослої продуктивності: для бурого вугілля розроблена конструкція східчастих топок, для кам'яних - топок з ланцюговими решітками;
Перехід до водотрубних котлів з меншими діаметрами барабанів і великою кількістю труб в зв'язку з ростом тиску пара і продуктивності котла. Основні типи котлоагрегатів в цей період -горизонтальна і вертикально водотрубні котли;
Заміна парової машини паровою турбіною. Кількісні характеристики значно зростають: паропроизводительность досягає 30 т / год, потужність турбогенераторів - 30 000 кВт. Якісні характеристики: тиск пара до 40 атм., Перегрів до 420 ° С.
Для другого етапу характерно співвідношення між числом турбін і котлів 1: 5-г 1: 8. Необхідність установки 5-8 котлів на одну турбіну позначалася насамперед на компонуванні теплової частини електростанцій з 2-х рядним розміщенням котлів.
На третьому етапі спостерігався перехід до факельної спалювання вугільного пилу в величезних камерних топках, екранованих для захисту облицювання радіаційними поверхнями нагріву, які збільшували питому паропроизводительность. Прагнення інтенсифікувати процес горіння викликає введення підігрівачів повітря. Паропроизводительность котлів досягає 400 т / год, потужність турбогенераторів - 120 ТОВ кВт. Тиск пара зростає до 125 атм., Що змушує застосовувати проміжний перегрів пари, щоб уникнути занадто великого його зволоження на останніх дисках конденсаційних турбін. Температура пара перед турбіною досягає 525 ° С.
Для цього періоду характерно застосування однобарабанних і безбарабанних котлів. Їх кількість на турбіну знижується і доходить до одного, а котельні стають однорядними, розташованими паралельно машинного залу. Так відбувається виникнення «блокових» станцій (блок: котел-турбіна).
Розвиток блокових установок характеризує четвертий етап. Сучасний етап відрізняється високою паропродуктивністю котлоагрегатів (до 2 500 т / год і більше), здатних постачати паром знаходиться в блоці турбіну потужністю 300, 500 і 800 МВт. Надкритичні параметри пара вимагають здійснення його подвійного проміжного перегріву.
Основними типами теплових електростанцій є: двигуни конденсаційні (КЕС) і теплофікаційні (ТЕЦ).
Основними напрямками їх розвитку завжди було укрупнення потужності встановленого на них енергетичного обладнання.
При цьому якщо в 20 - 30 роки XX століття одинична потужність енергетичного обладнання обмежувалася розмірами можливого резерву -в енергетичній системі обмеженої потужності вихід з ладу великого агрегату міг спричинити за собою вельми серйозні наслідки для всієї системи, то тепер, у міру створення найбільших об'єднаних енергетичних систем , ці обмеження були зняті - тепер потужність одного агрегату обмежується неможливо електроенергетики, а досягнутим рівнем металургійної та машинобудівної промисловості.
В останні роки розвиток конденсаційних електростанцій у всіх розвинених країнах йде по блокової схемою (найсучасніший блок - один котел і одновальна турбіна). Потужність таких блоків вже досягає 800 МВт (Слов'янська ГРЕС), а потужність самих електростанцій досягає 3000 - 4000 МВт.
Все більшого поширення в світовій теплоенергетиці отримують теплофікаційні електростанції. Їх особливість полягає в тому, що пар, що відбирається з декількох ділянок проточної частини парових теплофікаційних турбін, віддає своє тепло воді, що проходить через ряд водопідігрівачів і потім відправляється в теплофікаційну мережу для використання промисловими і міськими споживачами.
В області комбінованого виробництва теплової та електричної енергії наша країна завжди займала провідні позиції. Першою такою електростанцією була електростанція №3 в Ленінграді (1924).
Потужність однієї теплоелектростанції досягає 1000 МВт і більше. Однак потужність ТЕЦ не може зростати вище певної величини, яка обмежується потребами не в електроенергії, що подається в енергетичну систему, а потребами в тепловій енергії і допустимими протяжність теплових мереж. Наприклад, в містах з населенням менше 1 млн чол. доцільно споруджувати ТЕЦ з турбоагрегатом потужністю 250 МВт.
Все більш помітну роль в сучасній електроенергетиці відіграють атомні станції.
Перша промислова атомна електростанція (АЕС) потужністю 5 МВт вступила в дію в червні 1954 року в місті Обнінську.
Досвід роботи атомних електростанцій у нас і в таких густонаселених країнах, як Англія, Франція, Німеччина, Японія, показує, що при виконанні ряду певних технічних вимог дотримується повна радіаційна безпека для персоналу станцій і населення прилеглих районів.
Для АЕС не потрібно будувати громіздкі склади палива і передбачати великі території для золо- і шлаковідвалів.
З технічних і екологічних міркувань слід очікувати швидкого прогресу в будівництві АЕС.
Досягнення нового рівня розвитку будь - якої галузі техніки завжди породжує і нові проблеми. Так, нарощування потужності електростанцій за рахунок введення великих блоків при надкритичних параметрах пари зробило актуальним вирішення проблеми регулювання добових графіків навантажень. Для покриття піків навантажень велися розробки нових типів електростанцій і агрегатів. За останні роки в теплоенергетиці почалося використання газотурбінних і парогазових установок.
У газотурбінних установках (ГТУ) роль генераторів газу підвищеного тиску грають турбореактивні двигуни, зокрема відпрацювали свій ресурс авіаційні і суднові двигуни. Вони дуже маневрені, запускаються за кілька хвилин, значно простіше в експлуатації і дешевше паротурбінних. Відсутність котельних агрегатів і ряду допоміжних систем, а також зазначені вище переваги роблять ГТУ економічними і перспективними.
Іншим прикладом нового досягнення на шляху підвищення економічної ефективності теплового циклу і маневреності є парогазові установки (ПГУ), що з'єднують в собі переваги ГТУ (високі початкові температури циклу) і паротурбінних (низькі кінцеві температури).
До числа нових способів використання природних енергетичних джерел можна віднести будівництво геотермальних електростанцій. У 1966 році на Камчатці був введений в експлуатацію експериментальний турбогенератор потужністю 2 500 кВт. Однак в найближчому майбутньому широких масштабів будівництва геотермальних електростанцій не передбачається, зокрема, через велику кількість мінеральних солей, що містяться в геотермальних водах, з відкладеннями яких вельми важко боротися.
Навпаки, виключно великі переваги відкриваються в новітній галузі енергетики високих температур: використання плазми з метою перетворення теплової енергії в електричну, минаючи звичайний тепловий цикл. Найближча реалізація цього напрямку полягає в використанні магнитогидродинамических генераторів (МГД -генератори).
У МГД - генераторі потік "гарячих" електропровідних газів направляється в межполюсние простір потужних електромагнітів. Рух такого газу рівносильно руху якоря з провідниками в магнітному полі, тільки ЕРС наводиться в "уявних" провідниках, утворених в шарі газу. За допомогою електродів, встановлених по всій довжині каналу, електрична енергія відводиться в зовнішній ланцюг. Таким чином перетворення теплової енергії відбувається без турбіни, без будь-яких рухомих частин.
Робота при високих температурах (~ 2500 ° С) дозволяє весь цикл зробити виключно екологічним. Застосування МГД - генераторів в великій енергетиці дозволить приблизно в 1,5 рази скоротити витрати палива на виробництво електроенергії в порівнянні зі звичайними тепловими станціями. Чудовою особливістю МГД - генераторів є те, що вони не потребують охолодження водою і, отже, не забруднюють водойми, а менший відносний витрата палива і більш повне його згорання зменшують забруднення атмосфери. У нас вже працює МГД - генератор на 200 кВт, споруджується промислова електростанція з МГД - генератором потужністю 25 МВт.
Подальшим розвитком застосування плазми є створення термоядерного генератора, в якому буде використаний сверхнагретий потік водню в сверхсильном магнітному полі, утвореному електромагнітами з надпровідників в якості обмотки збудження.