Передача и распределение электроэнергии
Важной характеристикой электроэнергии является величина напряжения и тока, с которой она передается. Электрическая мощность прямо пропорциональна силе тока и напряжению, поэтому значительные мощности могут быть переданы за счет повышения напряжения. Увеличение силы тока нецелесообразно из-за резкого возрастания пропорциональных квадрату силы тока тепловых потерь в линиях электропередач. Величину напряжения выбирают из соотношения двух величин: стоимости электроэнергии (с учетом потерь) и стоимости сооружения линии передач, при повышении напряжения становящихся более дорогими.
На электростанциях, в зависимости от их типа, получают трехфазный переменный ток напряжением 6–18 кВ, которое на повышающих трансформаторных подстанциях увеличивают до 35–500 кВ для линий электропередач.
Для передачи электроэнергии большой мощности на очень большие расстояния более экономичен постоянный ток напряжением до 1150 кВ. В этом случае кроме повышающей трансформаторной подстанции, требуется также установка для превращения постоянного тока в трёхфазный переменный.
Приёмники электроэнергии имеют следующие номинальные напряжения трёхфазного тока: 127, 220, 380, 600, 3000, 6000, 10000, 35000, 110000, 154000 и 220000 В. Электросети городских или крупных промышленных предприятий выполняют на напряжение 6 или 10 кВ.
Фундаментальная особенность электростанций заключается в том, что количество выработанной в каждый момент времени электроэнергии полностью соответствует потребляемой. Другая особенность электростанций – круглосуточная, без перерывов работа. Аварийная остановка оборудования электростанций снижает их экономические показатели, а также показатели промышленных предприятий, электроснабжение которых было прервано, что предъявляет высокие требования к надёжности электроснабжения, которые легче удовлетворяются, если отдельные электростанции, тепловые и гидравлические, объединены в энергетическую систему. Управление энергосистемой осуществляется ее центральной диспетчерской службой. В первую очередь загружают ТЭС. Регулирующими станциями являются ГЭС, так как гидрогенераторы могут быстро (за 5–15 мин.) и в широких пределах изменять свою нагрузку.
Более высокая ступень развития – объединение нескольких энергетических систем. Например, в бывшем СССР 95 энергосистем образовывали 11 объединенных энергетических систем. Девять ОЭС были соединены между собой межсистемными связями, образуя Единую энергетическую систему (ЕЭС) СССР, управляемую из центральной диспетчерской. Внедрение ЕЭС позволяет полнее загружать оборудование и экономически выгодно для России, имеющей значительную протяженность во временных поясах. В состав РАО ЕЭС России входит 7 объединенных энергосистем.
Нетрадиционная энергетика
Наряду с широким промышленным применением энергетики (ТЭС, АЭС, ГЭС) разрабатываются нетрадиционные ее виды, основанные на использовании возобновляемых источников энергии (ветра, воды, Солнца, биомасс, геотермальных источников тепла земли, воздуха, природных вод). Доля этих источников в общем балансе выработки электроэнергии невелика и составляет за рубежом от 0,4 до 2,8 % (США), а в России фактически равна нулю. Потенциал нетрадиционной (альтернативной) энергетики в нашей стране чрезвычайно велик и представлен в таблице 11.2.
Таблица 11.2 – Потенциал нетрадиционных возобновляемых источников России
В млн. т условного топлива в год
| Ресурс | Распределение ресурса | ||
| валовый | технический | экономический | |
| Малая гидроэнергетика | |||
| Геотермальная энергия | * | * | |
| Энергия биомассы | |||
| Энергия ветра | 2,6 . 104 | ||
| Солнечная энергия | 2,4 . 106 | 12,5 | |
| Низкопотенциальное тепло | |||
| Итого | 2,62 . 106 |
Примечание – Ресурсы геотермальной энергии в верхней толще земной коры глубиной до 3 км составляют 180 трлн. т.у.т, а пригодная для использования – 20 трлн. т.у.т.
Валовый потенциал характеризует суммарную энергию, заключенную в данном виде ресурса.
Технический потенциал определяет количество энергии, которое может быть получено из энергоресурса при существующем уровне науки и техники. По мере развития производства и совершенствования технологии он постоянно увеличивается и может изменяться от долей до нескольких десятков процентов по отношению к валовому потенциалу. Для России технический потенциал в 4 раза превышает уровень ее энергопотребления в 1997 г.
Экономический потенциал представляет собой величину энергии, получение которой из данного ресурса при имеющемся уровне затрат экономически оправдано. В настоящее время он составляет 22% общего энергопотребления России, однако используется менее чем на 1%.
К малой гидроэнергетике относят электростанции и гидроэлектроагрегаты с установленной мощностью, не превышающей 10 МВт.
Источниками геотермальной энергии служат термальные воды, применяемые для отопления, горячего водоснабжения, и пароводяные смеси, пригодные для работы геотермальных электростанций. Российские запасы пароводяных смесей сосредоточены в основном в Курило-Камчатской зоне, которые могут обеспечить работу геоГЭС мощностью до 1000 МВт, что превышает суммарные мощности Камчатской и Сахалинской энергосистем. В настоящее время действует сданная 1967 г. в эксплуатацию геоГЭС (Камчатка) мощностью 11 МВт. В США работают геоГЭС мощностью до 700 МВт.
Биомасса включает отходы животноводства, сельскохозяйственного производства, целлюлозно-бумажной, лесной и деревообрабатывающей промышленности, твердые бытовые отходы, осадки городских сточных вод. Биоресурсы для выработки электроэнергии применяют в ряде стран, в частности, в США, где работает 146 установок с единичной мощностью 5–50 МВт (суммарно – 2,9 ГВт). В качестве топлива на них используется, %: древесина – 72, городские отходы – 22, отходы растениеводства – 6. В России более 15 лет функционирует в Вологодской области электростанция мощностью 1 МВт на отходах лесной промышленности.
Энергия ветра среди возобновляемых источников признается одной из наиболее перспективных. Мощность ветроэнергетических установок (ВЭУ) Европы в 1996 г. составила более 3,4 ГВт, в том числе в Германии – 1,5 ГВт. Мощность крупной ВЭУ равна 1,5 МВт, диаметр ветрового колеса составляет 67 м. Вклад России в ветроэнергетику ограничивается двумя ВЭУ мощностью 250 кВт. Смонтирован и опробован первый ветроагрегат мощностью 1000 кВт (Калмыцкая ВЭС).
Солнечная энергия по потенциальным возможностям превосходит другие альтернативные источники в десятки раз. Ее количество, излучаемое на территорию России за неделю, превышает суммарную энергию годовых ресурсов страны по нефти, газу, углю и урану. Одним из самых перспективных решений по использованию солнечной энергии является электростанция с фотоэлектрическими элементами на основе кремния. Из-за высокой стоимости фотоэлектрических преобразователей солнечная энергия потребляется только в установках систем отопления и горячего водоснабжения.
Низкопотенциальное тепло включает энергию окружающего воздуха, грунта и грунтовых вод, водоемов, рек, озер, морей (средняя температура источников 5–250С), оборотной воды (25–400С), высокотемпературных гидросетей (40–700С) и др. С помощью теплонасосных установок, затрачивая на их привод 1 кВт-ч внешней электроэнергии, получают 3–6 кВт-ч тепловой энергии с более высоким потенциалом. В четырех странах США, Швеция, Великобритания, Германия в настоящее время работает 10 млн. тепловых насосов, экономящих 220 млн. т.у.т. в год. В России насчитывается 2–3 тыс. действующих теплонасосных установок.
Из других возобновляемых нетрадиционных источников энергии следует отметить приливные электростанции (ПЭС). Мощность самой крупной из них достигает 240 МВт. (Бретань, Франция).
Мировые объемы использования возобновляемых энергоресурсов в настоящее время составляют, МВт: биомасса – 8000, ветер – 4000, геотермальные воды – 9000, солнечная энергия – 20 500. Капитальные затраты на выработку электроэнергии и ее стоимость различными нетрадиционными способами конкурируют с достигнутыми при использовании угля, нефти, газа, ядерной энергии.
Наряду с возобновляемыми альтернативными ресурсами к числу нетрадиционных относят газовые гидраты, практический интерес к которым стал формироваться в последнюю четверть ХХ века.
Газовые гидраты представляют собой соединения воды и природных газов, находящихся в твердом состоянии. Запасы таких газов оцениваются в 2∙1016 м3 , что превышает количество углерода во всех остальных природных объектах (уголь, газ, нефть и др.). Российские газогидратные ресурсы находятся в прибрежной полосе восточной части Северного Ледовитого океана (3∙1015 м3) и на суше (6∙1013 м3) в зоне вечной мерзлоты Якутии, Чукотки, на Сахалине и Камчатке.
В настоящее время реальными представляются два основных направления переработки газовых гидратов: 1) дестабилизация понижением давления в зоне месторождения; 2) термическое инициирование отдельных участков месторождения, например, подачей горячей воды, геотермальных вод или сжиганием части добываемого топлива (6–7%). Оба направления нерентабельны из-за больших капитальных вложений.
Вовлечение альтернативных источников энергии в народнохозяйственное использование требует разрешения экологических проблем. На первый взгляд они кажутся незначительными, если иметь в виду природную чистоту нетрадиционных энергоносителей. Однако необходимо учитывать воздействие на природную среду сооружений, машин, устройств для сбора и передачи энергии, технологий производства материалов и аппаратов. Например, ветровые электростанции требуют больших площадей размещения и при массовом применении могут повлиять на розу ветров данной местности, т.е. на климатическое равновесие региона. Их работа сопровождается шумом значительной интенсивности (50–80 дБ), генерацией ультразвуковых колебаний, поскольку концы лопастей ветрового колеса движутся со сверхзвуковой скоростью. Сооружение ВЭС сопряжено с увеличением выпуска алюминия или стеклопластика, производство которых относится к числу экологически грязных.
Использование солнечной энергии требует площадей намного больше, чем для ТЭС, развития экологически грязного производства кремния. Основная опасность связана с возможным похолоданием на окружающей территории, пропорциональным количеству конвертированной солнечной энергии. Понижение температуры приведет к конденсации водяного пара в атмосфере и прекращению работы фотоприемника.
При работе геотермальных станций отбор из скважин пароводяной смеси зачастую сопровождается выбросами токсичных газов и сильным шумом. Сброс отработанных горячих и минерализованных вод в реки опасен для гидробионтов.