Энергетика как сфера деятельности человеческого общества является большой глобальной системой, включающей как подсистемы окружающую среду и различные отрасли народного хозяйства.
Понятия «энергетика» и «энергетическая наука» употребляются давно, однако вкладываемый в них в настоящее время смысл нельзя считать устано-вившимся.
Под энергетикой, или энергетической системой, следует понимать совокупность больших естественных (природных) и искусственных (созданных человеком) систем, предназначенных для получения, преобразования, распределения и использования в народном хозяйстве энергетических ресурсов всех видов.
Под энергетическими ресурсами понимаются материальные объекты, в которых сосредоточена энергия, возможная для использования ее человеком. Подчеркивается системный подход к энергетике, т. е. она рассматривается как большая система, включающая в себя на правах подсистем части других боль-ших систем.
Энергетика имеет большое значение в жизни человечества. Уровень ее развития отражает уровень развития общества и возможности научно-технического прогресса.
ПРЕЗЕНТАЦИИ:
1. Толивно-энергетический комплекс
2. Энергоресурсы
Три аспекта энергетики.Энергетика в ее современном состоянии и раз-витии должна рассматриваться в трех аспектах – техническом, социальном и экологическом.
Технический аспект энергетикихарактеризуется прежде всего огромными мощностями, которые получает человек, используя энергетический потенциал планеты. Так, мощность электростанций, существующих в настоящее время в мире, составляет около 2 млрд. кВт. Общая же мощность всех энергетических установок достигает 10 млрд. кВт.Для обеспечения этих мощностей человек ежегодно берет у природы не менее 40 – 50 млрд. т условного топлива (Под условным понимают такое топливо, при сгорании 1 кг которого выделяется 29,3 МДж теплоты). При этом КПД использования взятых у природы энергетических ресурсов не очень велик – не более 0,2 %. (!!!).Отсюда возникает одна из основных задач энергетики - снижение потерь энергии на всех стадиях ее преобразования (от получения энергетических ресурсов до конечного их использования). Для того необходимо и улучшение оборудования, и более разумное использование полученной энергии, что уже выходит из сферы чисто технической и должно рассматриваться в социальном аспекте.
Снижение потерь при передаче, получении и распределении электрической энергии зависит в значительной степени от количества израсходованного металла, в основном алюминия. Допуская большие плотности тока в сечении провода (1,0 – 1,2 А/мм2), снижают расход алюминия, но увеличивают потери электроэнергии. Изменение мировой конъюнктуры в отношении цен на алюминий таково, что этот металл становится дешевле, поэтому в энергетике высоко-развитых стран появляется тенденция к резкому снижению плотностей тока (0,35 А/мм2). Следовательно, стоимость алюминия непосредственно влияет на выбор сечения проводов линий электропередач, т. е. на определение технических характеристик электрической системы.
Снижение потерь энергии путем применения энергосберегающих технологий, выработки тарифов на электроэнергию, которые бы стимулировали потребление энергии в «провалах» графика нагрузки и приводили бы к уменьшению этого потребления во время максимумов, определяется успешным решением социально-экономических задач.
Вопросы быстро нарастающего использования энергетических ресурсов планеты должны рассматриваться не только в техническом аспекте, но и в аспекте влияния энергетических установок и процессов добычи топлива на окружающую среду, т. е. в аспекте экологическом.
Органические топлива - уголь, нефть и природный газ – составляют сейчас и будут составлять в перспективе подавляющую часть всего энергопотребления. Образование органических топлив является результатом теплового, механического и биологического воздействия в течение многих столетий на останки растительного и животного мира, откладывавшиеся во всех геологических формациях. Все эти топлива имеют углеродную основу, и энергия высвобождается из них в процессе горения и образовании, главным образом, двуокиси углерода и других веществ (СО, Н2O, NOx, SOx ).
Извлечение из недр земли органических топлив оказывает серьезные негативные воздействия на окружающую среду. Проблемы, связанные с открытой и подземной добычей угля, известны практически каждому. Но существуют также и проблемы, связанные с извлечением нефти и природного газа. В первую очередь – это оседание почвы. Нефть и газ, скопившиеся в пористых породах под поверхностью земли, служат «подушкой», поддерживающей лежащую сверху породу. Когда эта «подушка» извлекается, земная поверхность в районе залегания нефти и газа опускается на глубину до 10 м.
В процессе сжигания топлива возникает много побочных веществ. При сжигании угля возникает значительное количество золы и шлака. Большую часть золы можно уловить, но не всю. Все отходящие газы потенциально вред-ны, даже пары воды и двуокись углерода. Эти газы поглощают инфракрасное излучение земной поверхности и часть его вновь отражают на Землю, создавая так называемый «парниковый эффект». Если уровень концентрации СО 2 в атмосфере Земли будет увеличиваться, могут произойти глобальные климатические изменения.
Расходование топлива относитсяне только к техническому и экологиче-скому аспектам, но и в значительной мере к социальному аспекту. Так, 30% населения земного шара потребляет более 90%всей вырабатываемой на планете энергии, на долю же 70% населения, преимущественно в развивающихся странах, приходится менее 10% всей энергии. Между тем, уровень промышленности, состояние быта и развитие культуры теснейшим образом связаны с количеством используемой энергии.
Запасы энергии разных видов распределены на планете неравномерно и по количеству, и по возможности их реализации. В этом плане интересно сопо-ставить требуемое число скважин для добычи 500 млн.т нефти в разных стра-нах. В США для этого необходимо 500 тысяч скважин, в России – 60 тысяч скважин, в Иране – только 600 скважин, в Саудовской Аравии – 300, в Кувейте
– 100 скважин. Многие из стран, потребляющих наибольшее количество энер-гии, используют импортируемые энергоносители. Так, Япония более 80% энер-гетических ресурсов (преимущественно нефть) ввозит из стран, лежащих в районе Персидского залива. Европейские страны получают оттуда же около 20% энергии. Не случайно происходящие в мире политические события происходят из-за возможности обладания источниками энергии, из-за жизненно важных энергетических интересов.Не случайно США объявляют район Персидского залива сферой своих жизненных интересов и отстаивают их путем военных действий в Ираке.
Созданные человеком энергетические установки, имеющие большие энергетические мощности, оказывают заметное влияние на естественные процессы, происходящие в биосфере.Это влияние во многих случаях носит негативный характер, который необходимо учитывать при проектировании энергообъектов. Так, построенная на границе Бразилии и Парагвая в настоящее время самая мощная в мире электростанция (Итайпу), имеющая 18 генераторов по 720 МВт, с общей мощностью 12960 МВт, вызвала ряд серьезных последствий в виде землетрясений,появление которых связано с сооружением мощной плотины и водохранилища, причем землетрясения были такой силы, что обычно принятая шкала Рихтера оказалась недостаточной для их оценки.
Другим примером может служить проект гидростанции в Гибралтаре, которая могла бы обеспечить дешевой энергией всю Европу. От сооружения гидростанции отказались, так как последствия его были бы очень тяжелыми и далеко идущими. Ожидалось, что после создания плотины Средиземное море из-менит давление на дно, после чего изменится вулканическая деятельность во всем регионе. Отделение Средиземного моря от океана плотиной вызовет по-вышение его засоления и полную гибель всего живого, находящегося в море. Изменение водного баланса приведет к тому, что море отойдет от берегов и та-кие города, как Ницца и Марсель во Франции, Бари в Италии, окажутся не при-морскими городами, а городами, находящимися среди песчаной пустыни. Разу-меется, при этом ухудшится климат не только района Средиземного моря, но и всей Европы. Все эти вместе взятые факторы и многие другие способствовали отказу от такого заманчивого в техническом и экономическом отношении со-оружения.
В ряде стран, в первую очередь где широко развит туризм, остро стоит вопрос об изменении ландшафта сооружением линий электропередачи, труб электростанции и др., что отпугивает туристов. Во Франции, Австрии, Италии энергетиками проводятся специальные работы, определяющие влияние техни-ческих сооружений на ландшафт. В ряде случаев именно из-за этого влияния приходится менять технические решения. Например, снабжение юга Италии электроэнергией могло бы осуществляться восемью линиями существующего напряжения 400 кВ. Однако при этом потребуется большая площадь (большая полоса) отчуждения, а опоры и провода многочисленных линий электропередач не впишутся в ландшафт. Более приемлемым оказывается сооружение линии 1200 кВ вдоль автомобильной трассы, что нанесет минимальный эстетический урон окружающей среде. Таким образом, появляется новый вид негативного влияния на окружающую среду - эстетическое.
Энергетика, как и вся промышленность, оказывает отрицательное воздей-ствие на окружающую среду: каждый из объектов энергетики негативно влияет на экологию.
При строительстве ЛЭП необходима полоса отчуждения в среднем на 1 км ЛЭП 3 га; если напряжение 500 кВ и выше, то в два раза больше. Сильные электромагнитные поля оказывают вредное биологическое влияние на живые организмы. Появляются акустические шумы, происходит озонирование, и обра-зуются окислы азота. Имеют место радиопомехи. Экологически важен вопрос о месте строительства ТЭС, АЭС и ГЭС и их мощности.
ТЭС рассеивают около 70% энергии сжигаемого топлива в окружающей среде с дымовыми газами и подогретой водой. В воздух с дымовыми газами попадают твердые частицы, сернистый ангидрид, ртуть, окись азота, углекислота и окиси металлов. Сбросные воды ТЭС подогреты на 8...100С. Попадая в природные водоемы, они могут нарушать их тепловой баланс.
Современные АЭС обеспечивают безопасный уровень радиации внутри станции и в окружающей местности при нормальной ее работе. Однако совер-шенно ясны последствия аварий на АЭС и масштабы зон поражения радиоак-тивными выбросами. Поэтому вопрос о месте строительства АЭС на современ-
ном этапе требует тщательного исследования возможных последствий при ава-риях, а также разработки новых безопасных конструкций реакторов. Необходим также пересмотр вопроса о захоронении отходов сгорания ядерного горючего.
Сооружение ГЭС, особенно на равнинных реках и в хозяйственно осво-енных районах, оказывает большое влияние на использование земель и водных ресурсов. В этих условиях остро стоит вопрос о мелководных зонах водохрани-лищ, которые в процессе эксплуатации ГЭС периодически подтопляются и осушаются. Искусственный гидрологический режим мелководных зон водо-хранилищ отрицательно сказывается на биосфере, в основном в результате нарушения кислородного режима. Кроме того, искусственные водохранилища могут существенно влиять на колебания уровня грунтовых вод и на климат смежных территорий. Ряд отрицательных экологических последствий создания крупных водохранилищ еще изучен недостаточно, однако следует отметить, что в США имеется 1220 ГЭС, их средняя мощность 70 МВт, а на территории бывшего СССР около 200 ГЭС, их средняя мощность 300 МВт. Среди них такие гиганты, как Саяно-Шушенская – 6400 МВт, Красноярская – 6000 МВт.
Рассмотренные влияния определенным образом отражаются на климате, меняя энергетику атмосферы, возможности управления которой пока в доста-точной мере не выяснены.
Энергетическая наука.Из понятия энергетики вытекает понятие энерге-тической науки, предмет и методы ее изучения. Под энергетической наукой по-нимается система знаний о свойствах и взаимодействиях энергетических потоков, влиянии их на человеческое общество в социальном, экономическом и научно-техническом планах, влиянии на окружающую среду.
Энергетическая наука занимается изучением закономерностей процессов
и явлений, прямо или косвенно связанных с получением необходимых для че-ловека энергетических ресурсов и созданием установок, вырабатывающих, преобразующих и потребляющих различные виды энергии.
Развиваясь в тесной связи с электро-, тепло- и гидротехническими дис-циплинами, а также многими другими научными дисциплинами, энергетиче-ская наука требует применения математики, физики и автоматики. Энергетиче-ская наука развивается в трех основных направлениях:
1) изучение закономерностей развития и оптимальных пропорций энергети-ки и электрификации, а также изучение природы и свойств больших развиваю-щихся систем в энергетике. Это направление, имеющее своей целью совершен-ствование методов прогнозирования, планирования и эксплуатации систем энергетики, тесно связано с социальными процессами, экономикой страны;
2) совершенствование способов получения, преобразования, передачи, рас-пределения и использования энергоресурсов и энергии различных видов; по-вышение КПД всех энергоустановок и уменьшение их неблагоприятного воз-действия на природу и живые организмы;
3) создание новых методов и средств получения энергии и преобразование различных видов энергии в электрическую; разработка новых способов переда-чи электрической энергии и ее использование в стационарных и передвижных установках.
Будучи большой системой и взаимодействуя с подсистемами, энергетика
в теоретическом аспекте связана с рядом научных дисциплин и обычно рас-сматривается состоящей из отдельных разделов. В этих разделах выделяют об-щую энергетику, управление энергетикой, электро-, гидро- и теплоэнергетику, атомную энергетику. К энергетике в широком плане относится также топливо-снабжение, включающее в себя снабжение ископаемым топливом (углем, газом, торфом, нефтью, ядерным горючим).
Использование энергетических ресурсов.Энергия-всеобщая основаприродных явлений, базис культуры и всей деятельности человека. В то же время энергия понимается как количественная оценка различных форм движе-ния материи, которые могут превращаться одна в другую. По видам энергия подразделяется на химическую, механическую, электрическую, ядерную и т. д. Возможная для практического использования человеком энергия сосредоточена
в материальных объектах, называемых энергетическими ресурсами.
Из многообразия энергоресурсов, встречающихся в природе, выделяют основные, используемые в больших количествах для практических нужд. К ним относят органические топлива, такие как уголь, нефть, газ, а также энергию рек, морей и океанов, солнца, ветра, тепловую энергию земных недр (геотермальную) и т. д.
Энергоресурсы разделяют на возобновляемые и невозобновляемые. К первым относят энергоресурсы, непрерывно восстанавливаемые природой (во-да, ветер и т. д.), а ко вторым – энергоресурсы, ранее накопленные в природе, но в новых геологических условиях практически не образующиеся (например, каменный уголь).
Энергия, непосредственно извлекаемая в природе (энергия топлива, воды, ветра, тепловая энергия Земли, ядерная), называется первичной. Энергия, по-лучаемая человеком после преобразования первичной энергии на специальных установках – станциях, называется вторичной (энергия электрическая, пара, горячей воды и т. д.).
В своем названии станции содержат указание на то, какой вид первичной энергии на них преобразуется. Например, тепловая электрическая станция (ТЭС) преобразует тепловую энергию (первичную) в электрическую энергию (вторичную), гидроэлектростанция (ГЭС) – энергию воды в электрическую, атомные электрические станции (АЭС) – атомную энергию в электрическую; кроме того, первичную энергию приливов преобразуют в электрическую на приливных электростанциях (ПЭС), аккумулируют энергию воды – на гидроак-кумулирующих станциях (ГАЭС) и т. д.
Получение энергии необходимого вида и снабжение ею потребителей происходит в процессе энергетического производства, в котором можно вы-делить пять стадий.
1. Получение и концентрация энергетических ресурсов: добыча и обогаще-ние топлива, концентрация напора с помощью гидротехнических сооружений и т. д.
2. Передача энергетических ресурсов к установкам, преобразующим энер-гию; она осуществляется перевозками по суше и воде или перекачкой по тру-бопроводам воды, газа и т. д.
3. Преобразование первичной энергии во вторичную, имеющую наиболее удобную для распределения и потребления в данных условиях форму (обычно в электрическую энергию и тепловую).
4. Передача и распределение преобразованной энергии.
5. Потребление энергии, осуществляемое как в той форме, в которой она до-ставлена потребителю, так и в преобразованной.
Если общую энергию применяемых первичных энергоресурсов принять за 100 %, то полезно используемая энергия составит только 35–40 %; остальная часть теряется, причем большая часть в виде теплоты.
Потери энергии определяются существующими в настоящее время тех-ническими характеристиками энергетических машин.
Различные виды топлива имеют существенно разные энергоемкости, ве-личина которых приведена в таблице В.1.
| Таблица В.1 | ||||||||
| Вид топлива | Условное | Уголь | Дрова | Нефть | Газ | Водород | ||
| топливо | (антрацит) | (сухие) | (пропан) | |||||
| Удельная | ||||||||
| энергоемкость: | ||||||||
| 106 Дж / кг | 29,35 | 33,5 | 10,5 | 41,9 | 46,1 | 12,06 | ||
| ккал / кг | 10 000 | 11 000 | 28 800 | |||||
