Другие виды нетрадиционной энергетики

Геотермальная энергетика — получение энергии от внут­реннего тепла Земли.

Тепловая энергия, выделяемая при извержении вулка­нов, гейзеров и горячих источников, известна человечеству уже много тысячелетий, но интенсивное ее использование стало возможным лишь благодаря появлению соответству­ющих технических средств во второй половине XX века.

Под общими ресурсами геотермальной теплоты обыч­но понимают всю теплоту, запасенную земными порода­ми. Говоря об источниках геотермальной энергии, следу­ет различать два принципиально разных случая. К пер­вому случаю относятся так называемые гидротермаль­ные источники, представляющие в природе подземные запасы горячей воды или пара с температурой от несколь­ких десятков до 300-350 °С. Второй случай - это так на­зываемые петротермалъные источники, связанные с теп­лотой сухих горных пород.

Различают естественную и искусствен­ную геотермальную энергию — от природных термальных ис­точников и от закачки в недра Земли воды, других жидкостей или газообразных веществ ("сухая" и "мокрая" геотермальная энергетика).

Использование тепла Земли для производства элект­роэнергии представляет большой интерес. Первая успеш­ная попытка использовать геотермальную энергию для производства электричества была осуществлена в Италии в 1904 году, где в паротурбинном цикле стали использо­вать выходящий из земли сухой пар. Сегодня в 120 км от Сан-Франциско в США работает геотермальная стан­ция мощностью 500 тыс. кВт. Предполагается, что в бли­жайшем будущем вырабатываемая геотермальными элек­тростанциями энергия будет стоить дешевле энергии, по­лучаемой традиционными способами. При этом пробле­ма загрязнения окружающей среды не встает в таком масштабе, как это имеет место при использовании ТЭС.

Подобно солнечной энергии, энергия тепла Земли пер­воначально использовалась для отопления и горячего во­доснабжения. Опыт эксплуатации геотермальных систем для теплоснабжения имеется в некоторых странах. На­пример, полуостров Камчатка, Закавказье, прикарпатские области Украины обладают значительным потенциалом геотермальных ресурсов.

В настоящее время общая мощность геотермальных электростанций (ГеоТЭС) мира составляет более 1000 МВт, однако в последние годы в этой области достигнут суще­ственный прогресс. ГеоТЭС по компоновке, оборудованию, эксплуатации мало отличается от традиционной ТЭС. Относительно большие размеры турбинного оборудования ГеоТЭС, связанные с большим удельным объемом пара низких параметров, компенсируются отсутствием котель­ного оборудования. Геотермальная энергия может исполь­зоваться не только для производства электроэнергии, но и в целях отопления и горячего водоснабжения. В после­днем случае, ее использование вполне конкурентоспособ­но в сравнении с котельными на органическом топливе. Так, столица Исландии - Рейкьявик, в которой прожива­ет половина населения страны, отапливается только за счет подземных горячих источников. Благодаря им многочисленные исландские теплицы, обогреваемые подземными источниками, полностью обеспечивают страну помидорами, яблоками и даже бананами. Такие же теплицы, обогреваемые теплыми подземными водами (с глубины около 1,5 км) имеются и в Беларуси.

На юге-западе Англии, в городе Корноуолх, одна из компаний несколько лет назад начала внедрять системы, использующие тепловую энергию Земли с помощью геотермальных теплообменников. Они устанавливаются в герметически закрытых буровых скважинах или котлованах, прилежащих к зданиям. В этих системах используются электрические тепловые помпы, с помощью которых открывается доступ к скрытым тепловым резервам планеты. Тепловая помпа накапливает геотермальную энергию, поднимает температуру и подводит тепло к зданию, обеспечивая подогрев воды и отопление. В теплую погоду помпа накапливает тепло, идущее от дома и его окружения, повышает температуру и отдает тепловую энергию земле, обеспечивая тем самым охлаждение здания.

В отличие от многих других источников возобновляемая энергия, тепловая энергия Земли доступна днем и ночью, зимой и летом. На нее не влияют капризы погоды, и это делает ее очень привлекательной для использования.

Недостаток геотермальной энергии — токсичность термальных вод и химичес­кая агрессивность жидкостей и газов.

Особенно сложной и пока недостаточно изученной пред­стает проблема использования петротермальной энергии.

Для получения теплоты от сухих горных пород в них необходимо создать трещины или пористую структуру. Обсуждается гидравлическое раздробление пород путем закачки в специально пробуренную скважину большого количества воды под очень высоким давлением.

Космическая энергетика — получение солнечной энергии на специальных геостационарных спутниках Земли с узко­направленной передачей энергии на наземные приемники.

На этих спутниках солнечная энергия трансформируется в электрическую и в виде электромагнитного луча сверхвысо­кой частоты передается на приемные станции на Земле, где преобразуется в электрическую энергию. Мощность одной ор­битальной станции может составить от 3000 до 15 000 МВт.

Идея сооружения Международной опытной космической электростанции (КСЭС), подающей электроэнергию земным потребителям, возникла в 1960 году и не сходит с тех пор со страниц популярных и научных изданий.

КСЭС в совокупности с промежуточными атмосферными сооружениями сможет не только подавать электроэнергию земным потребителям, но и непосредственно освещать большие участки земной поверхности ночью и затенять их днем, регулировать климатические условия, уничтожать тайфуны и смерчи, снабжать энергией космические корабли, воздушные средства, наземный транспорт, удаленные от энергоисточников промышленные предприятия и др.

Целесообразность создания КСЭС диктуется неисчерпаемостью солнечной энергии, экологическими соображениями и необходимостью сохранять ныне широко применяемые природные энергоносители (нефть, газ, уголь) для нужд химической промышленности.

КСЭС с периодически сменяемым персоналом могла бы стать не только прообразом сверхмощных станций будущего, но и одновременно выполнять огромное количество обычной «космической работы» (исследования, наблюдения, эксперименты). Потребность в такой опытной КСЭС имеется уже сейчас, причем не только потребность, но и возможность ее создания при условии международного сотрудничества.

Первая публикация по проблеме КСЭС с изложением технической сущности принадлежит американскому инженеру П. Гейзеру. В его проекте масса КСЭС достигает 30 тыс. т, размер («размах») солнечных батарей 60 км, а электрическая мощность – примерно 8,5 ГВт. Таким образом, мощность спроектированной станции выше мощности эксплуатируемых ныне крупнейших электростанций мира: ГЭС «Гленд-Кули» (США) – 6,2 ГВт, Красноярской ГЭС – 6 ГВт, АЭС «Фукушима» - 4,7 ГВт, ТЭС «Кашима» - 4,4 ГВт (Япония)

Практическое использование солнечной энергии в космонавтике началось в 1958 г. на первом искусственном спутнике Земли (ИСЗ) и на третьем советском ИСЗ. Эти спутники имели солнечные батареи. Сейчас наличие солнечных энергетических установок характерно для всех космических аппаратов. Характеристики космических солнечных батарей, применяемых в настоящее время, весьма разнообразны. Удельная масса панельных солнечных батарей составляет 5 – 10 кг/м², причем около 40 % массы приходится на полупроводниковые элементы, а остальное на конструкцию. Ожидается, что использование материалов на основе бора и углерода позволит уменьшить массу конструкций в 2 раза.

Япония взялась осуществить грандиозный проект перекачки энергии Солнца на Землю. Министерство экономики и промышленности объявило, что начаты научные работы, связанные с запуском в космос гигантского спутника с двумя солнечными батареями, каждая из которых – по километру в ширину и по три – в длину. Беспрецедентный проект оценивается в три триллиона иен (примерно 18 млрд. дол.). Фактически это будет первая в истории космическая электростанция мощностью в миллион киловатт – почти на 20 % больше, чем у Днепрогэса. Сам спутник, весом 20 тыс. т, будет представлять собой симметричную конструкцию из трех основных частей – двух солнечных батарей – пластин по бокам и антенны – тарелки в центре. Ее диаметр составит примерно километр. Она будет передавать собранную энергию антенне. Площадь исполненного диска приемной антенны измеряется несколькими квадратными километрами, а раскинут он будет где-нибудь в океане или пустыне. Экологически безупречная суперэлектростанция будет вращаться на геостационарной орбите в 36 тыс. км. от планеты. Предполагается, что это произойдет не позднее 2040 г.

Морская энергетика базируется на энергии приливов и отли­вов, морских тече­ний и разности температур в различных слоях морской воды. Иногда к ней относят волновую энергетику.

В Мировом Океане и морях скрыты колоссальные за­пасы энергии. Океан таит в себе несколько видов энер­гии: энергию приливов и отливов, океанических течений, термальную энергию и др. Так, тепловая энергия, соответ­ствующая перегреву поверхностных вод океана по сравне­нию с донными на 20 °С, имеет величину порядка 10²⁶ Дж. Кинетическая энергия океанических течений оценивает­ся величиной порядка 10¹⁸ Дж. Однако сегодня исполь­зуются лишь ничтожные доли энергии, запасенной в оке­ане. Установки по преобразованию энергии морей и оке­анов в электрическую, разработанные несколько десяти­летий тому назад, требовали очень больших и медленно окупающихся капиталовложений. В настоящее время, при быстрорастущих ценах на энергоносители и современных достижениях науки и техники, использование энергии морей и океанов становится все более привлекательным.

Наиболее очевидным способом использования океа­нической энергии является постройка приливных элект­ростанций (ПЭС). Приливные колебания уровня воды в огромных океанах планеты вполне предсказуемы и свя­заны с гравитацией Луны на водные массивы Земли. Ос­новные периоды этих колебаний - суточные и полусуточ­ные. Высота прилива у берегов достигает 18 м. Преобра­зование энергии приливов использовалось еще в средне­вековой Англии и Китае для приведения в действие срав­нительно маломощных устройств. Из ПЭС наиболее хо­рошо известны крупномасштабная электростанция во Франции, построенная в 1967 г. в устьях реки Ране, мощ­ностью 240 МВт, и небольшая опытная станция мощнос­тью 400 кВт в Кислой Губе на побережье Баренцева моря.

Также огромное количество энергии можно получать от морских волн. В основе работы волновых энергетичес­ких станций лежит воздействие волн на рабочие элемен­ты устройства. Движущиеся элементы конструкции мо­гут быть выполнены в виде поплавков, маятников, лопас­тей, оболочек и т. п. Механическая энергия их перемеще­ний с помощью электрогенераторов преобразуется в элек­трическую.

В настоящее время волноэнергетические установки используются для энергопитания автономных буев, мая­ков, научных приборов. Попутно крупные волновые стан­ции могут быть использованы для волнозащиты морских буровых платформ, открытых рейдов. В мире уже около 400 маяков и навигационных буев получают питание от волновых установок. В Индии от волновой энергии рабо­тает плавучий маяк порта Мадрас. В Норвегии с 1985 г. действует первая в мире промышленная волновая элект­ростанция мощностью 850 кВт. Самая мощная действую­щая волновая энергетическая установка «Каймей» с пнев­матическими преобразователями была построена в Япо­нии в 1976 г. Она использует волнение моря высотой до 6-10 м. На барже длиной 80 м, шириной 12 м, водоизме­щением 500 т установлены 22 воздушных камеры, от­крытые снизу. Общая мощность установки 1 МВт.

Создание волновых электростанций определяется оп­тимальным выбором акватории океана с устойчивым запасом волновой энергии. Опыт эксплуатации существу­ющих установок показал, что вырабатываемая ими элек­троэнергия пока в 2-3 раза дороже традиционной, но в будущем ожидается значительное снижение ее стоимости. Пока морская энер­гетика малорентабельна из-за разрушающего воздействия на оборудование морской воды. Приливная энергетика рентабельна на побережьях морей с исключительно высокими приливами.

В океане растворено огромное количество солей. Может ли соленость быть использована, как источник энергии? Может. Большая концентрация соли в океане навела ряд исследователей на мысль о создании таких установок. Они считают, что для получения большого количества энергии вполне возможно сконструировать батареи, в которых происходили бы реакции между соленой и несоленой водой (в местах впадения рек в моря).

В океане существует замечательная среда для поддержания жизни, в состав которой входят питательные вещества, соли и другие минералы. В этой среде растворенный в воде кислород питает всех морских животных от самых маленьких до самых больших, от амебы до акулы. Растворенный углекислый газ точно также поддерживает жизнь всех морских растений от одноклеточных диатомовых водорослей до достигающих высоты 200-300 фунтов (60-90 метров) бурых водорослей. Морскому биологу нужно сделать лишь шаг вперед, чтобы перейти от восприятия океана как природной системы поддержания жизни к попытке начать на научной основе извлекать из этой системы энергию. При поддержке военно-морского флота США в середине 70-х годов группа специалистов в области исследования океана, морских инженеров и водолазов создала первую в мире экспериментальную океанскую энергетическую ферму на глубине 40 фунтов (12 метров) под залитой солнцем гладью Тихого океана вблизи города Сан-Клемент. На ферме выращивались гигантские калифорнийские бурые водоросли. По мнению исследователей до 50 % энергии этих водорослей может быть превращено в топливо – в природный газ метан (С₂Н₆). Океанские фермы будущего, выращивающие бурые водоросли на площади примерно 40 тыс. га, смогут давать энергию, которой хватит, чтобы полностью удовлетворить потребности американского города с населением в 50 тыс. человек.

Не так давно группа ученых океанологов обратила внимание на тот факт, что Гольфострим несет свои воды вблизи берегов Флориды со скоростью 5 миль в час. Идея использовать этот поток теплой воды была весьма заманчивой. Возможно ли это? Смогут ли гигантские турбины и подводные пропеллеры, напоминающие ветряные мельницы, генерировать электричество, извлекая энергию из течений и волн? «Смогут» - таково в 1974 г было заключение Комитета Мак-Артура, находящегося по эгидой Национального управления по исследованию океана и атмосферы в Майами (Флорида). Общее мнение заключалось в том, что имеет место определенные проблемы, но все они могут быть решены в случае выделения ассигнований, так как «в этом проекте нет ничего такого, что превышало бы возможности и современный инженерной и технологической мысли».

В ближайшем будущем с помощью электрической энергии не планируется поднимать в небо самолеты, двигать легковые и грузовые автомобили и автобусы, вести корабли через моря, которые приводятся в действие газом. Этот газ – водород, который можно извлекать из воды, и он может использоваться в качестве горючего. Водород – один из наиболее распространенных элементов во Вселенной. В океане он содержится в каждой капле воды. Формула воды НОН значит, что молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Извлеченный из воды водород можно сжигать как топливо и использовать не только для того, чтобы приводить в движение различные транспортные средства, но и для получения электроэнергии. Все большее число химиков и инженеров с энтузиазмом относятся к «водородной энергетике» будущего, так как полученный водород достаточно удобно хранить: в виде сжатого газа в танкерах или в сжиженном виде в криогенных контейнерах при температуре минус 203 ⁰С. Его можно хранить и в твердом виде после соединения с железо-титановым сплавом или с магнием для образования металлических гидридов. После этого их можно легко транспортировать и использовать по мере необходимости. Еще в 1847 г французский писатель Жюль-Верн, опередивший свое время, предвидел возникновение такой водородной экономики. В своей книге «Таинственный остров» он предсказывал, что в будущем люди научаться использовать воду в качестве источника для получения топлива. «Вода, - писал он, - представит неиссякаемые запасы тепла и света». Со времени Жюля Верна были открыты методы извлечения водорода из воды. (Через воду пропускается электрический ток, в результате чего происходит химический распад. Освобождаются водород и кислород, а жидкость исчезает).

Термальная энергия океана – получение электроэнергии за счет разности температур между поверхностными и засасываемыми насосом глубинными океанскими водами, например при использовании в замкнутом цикле турбины таких легкоиспаряющихся жидкостей как пропан, фреон или аммоний.

Температура воды океана в разных местах различна. На поверхности воды она нагревается до 27 ⁰С, а на глубине 600 метров температура падает до 2-3,5 ⁰С. Возникает вопрос: есть ли возможность использовать разницу температур для получения энергии? Могла бы тепловая электроустановка, плавающая под водой, производить электричество? Да, и это возможно. В далекие 20—е годы прошлого столетия французский физик Жорж Клод решил исследовать такую возможность. Выбрав участок океана вблизи берегов Кубы, он сумел-таки после серии неудачных попыток получить установку мощностью 22 КВт. Это явилось большим научным достижением и приветствовалось многими учеными. Используя теплую воду на поверхности и холодную на глубине и создав соответствующую технологию, мы располагаем всем необходимым для производства электроэнергии, уверяли сторонники использования тепловой энергии океана. «Согласно нашим оценкам, в этих поверхностных водах имеются запасы энергии, которые в 10000 раз превышают общемировую потребность в ней». Увы, - возражали скептики, - Жорж Клод получил в заливе Матансас всего 22 КВт электроэнергии. Дало ли это прибыль?» Не дало, так как, чтобы получить эти 22 КВт, Клоду пришлось затратить 80 КВт на работу своих насосов. Сегодня профессор Скриппского института океанографии Джон Исаакс делает вычисления более аккуратно. По его оценкам, современная технология позволяет создавать энергоустановки, использующие для производства электричества разницу температур в океане, которые производили бы его в два раза больше, чем общемировое потребление на сегодняшний день. Это будет электроэнергия, производимая электростанцией, преобразующей термальную энергию океана. Конечно, это – прогноз ободряющий, но даже если он оправдается, результаты не помогут разрешению мировых энергетических проблем.

Таким образом, в океане, который составляет 71 % поверхности планеты имеются различные виды энергии:

· энергия волн и приливов;

· энергия химических связей газов, питательных веществ, солей и других минералов;

· скрытая энергия водорода, находящегося в молекулах воды;

· энергия течений, спокойно и нескончаемо движущихся в различных частях океана;

· удивительная по запасам энергия, которую можно получать, используя разницу температур воды океана на поверхности и в глубине, и их можно преобразовать в стандартные виды топлива.

Такие количества энергии, многообразие ее форм гарантируют, что в будущем человечество не будет испытывать в ней недостатка. Океан наполнен энергией, чистой, безопасной и неиссякаемой. Она там, в океане, только и ждет высвобождения. Использование энергии океана позволит Земле быть в дальнейшем обитаемой планетой. Так как, увеличение использования органических и ядерных видов топлива может привести к катастрофе: в атмосферу станет выделяться слишком большое количество углекислого газа и теплоты, что грозит смертельной опасностью человечеству. Углекислый газ через некоторое время окутает Землю подобно одеялу, которое перестанет пропускать избыточное тепло в космос. Накапливающееся тепло, по мнению одних ученых, повысит общую температуру, а увеличение ее даже на 1-3 градуса по Фаренгейту приведет к таянию ледников. Миллионы тонн растаявшего льда поднимут уровень морей на 60 метров. Города на побережье и в долинах больших рек окажутся затопленными. По мнению других ученых, утолщающееся одеяло углекислого газа будет преграждать путь теплу, излучаемому солнцем, что станет причиной наступления новой эры оледенения. Поэтому следует обратить внимание общества на океан, который заряжается энергией внеземного происхождения, энергией доступной, не загрязняющей окружающую среду и возобновляемой.

Низкотемпературная энергетика — получение энергии с использованием низкотемпературного тепла Земли, воды и воздуха, вернее разности в температурах их различных слоев. Промышленное получение энергии с использованием разнос­ти температур на поверхности и в глубинах океана пока не вы­ходит за рамки опытных установок.

"Холодная" энергетика — способы получения энергоноси­телей путем физико-химических процессов, идущих при низких температурах и сходных с происходящими в растениях. Например, разложение воды на асимметричных мембранах под воздействием солнечного света. Молекула воды распадает­ся на водород и кислород, скапливающиеся по разные стороны этой мембраны. Водород затем используют как энергоноси­тель. КПД таких мембран в последние годы удалось заметно повысить, а цену — понизить. Вероятно, это перспективный путь. Предполагается, что водород будет широко использо­ваться в авиации, водном и наземном транспорте, промыш­ленности, сельскохозяйственном производстве. Сжигание во­дорода не дает вредных выбросов, но он взрывоопасен.

Управляемая термоядерная реакция. Физики работают над освоением управляемой термоядерной реакции синтеза ядер тяжелого водорода с образованием гелия. При таком соединении выделяется громадное количество энергии, гораздо больше, чем при делении ядер урана.

Доказано, что основная доля энергии Солнца и звезд выде­ляется именно при синтезе легких элементов. Если удастся осуществить управляемую реакцию синтеза, появится неогра­ниченный источник энергии.

Ученые уверены, что в первой половине 21 века по­лучение энергии за счет термоядерного синтеза превратится из чисто теоретической концепции в обыденную реальность.

Весьма перспективными являются энергетические уста­новки, преобразующие одни виды энергии в другие нетради­ционными способами с высоким КПД.

Тепловую энергию в электрическую преобразует магнитогидродинамический генератор (МГД), который относится к перспективным устройствам (рис. 2.6).

Плазма (ионизированный газ) с добавкой легко ионизиру­ющего вещества ( 1 % Na или К) поступает в канал МГД - генератора при 3000 °С и разгоняется в нем. Электропроводная плазма пересекает силовые линии магнитного поля, при этом положительные ионы отклоняются в одну, а отрицатель­ные — в другую сторону. Концентрация положительных и от­рицательных ионов на металлических пластинах придает им положительный или отрицательный потенциал; пластины становятся источником ЭДС. При замыкании электродов на внешнюю цепь возникает ток. КПД ТЭС с МГД - генераторами 60 %.

Большой интерес уделяют непосредственному преобразо­ванию химической энергии органического топлива в элек­трическую — созданию топливных элементов. Распростра­нение получили низкотемпературные (t = 150 °С) топливные элементы с жидким электролитом (концентрированные растворы серной или фосфорной кислот и щелочей КОН). Топли­вом в элементах служит водород, окислителем — кислород из воздуха.

Топливо

1 2 4 3

Рис. 2.6 Схема МГД-генератора

1 — камера сгорания, 2 — МГД-канал, 3 — магнитная система, 4 — электроды

Образование электроэнергии в элементе — это процесс обмена электронами между горючим и окислителем с образова­нием нового соединения — продукта реакции.

Отличие реакции в элементе от реакции окисления при го­рении в том, что в нем процессы протекают с точки зрения термодинамики обратимо, т.е. разность энергий электронов у ис­ходных веществ и продуктов реакции непосредственно пре­вращается в электроэнергию (упорядоченное движение элек­тронов). При горении же химическая энергия переходит в энергию хаотического теплового движения атомов, молекул и их частей.

Суммарная реакция в элементе имеет вид:

2Н₂ + О₂ —> 2Н₂О (продукт реакции).

КПД элементов выше 90 %. Нет топок, котлов, турбин, ге­нератора, но пока их мощность мала.

Один из способов прямого преобразования энергии — ис­пользование термоэмиссионных генераторов (ТГ) (рис. 2.7).

Рис. 2.7 Схема термоэмиссионного генератора (ТГ)

1 – катод; 2 подводимая теплота; 3 – отводимая теплота; 4 – анод

Термоэмиссионный генератор (ТГ) — это два плоских (или коаксильных) электрода, разделенных промежутком и вклю­ченных в цепь с нагрузкой. На катод от источника теплоты поступает энергия, достаточная для поддержания термоэлек­тронной эмиссии (процесс самопроизвольного испускания электронов с поверхности тела в окружающую газовую среду или вакуум). В процессе эмиссии электронов катод охлаждает­ся, электроны из катода попадают на анод. При этом электро­ны отдают аноду часть своей кинетической энергии, нагрева­ют его и создают избыток их на аноде. Избыток электронов стекает по внешней цепи вновь на катод, таким образом, идет постоянный ток. Промежуток между горячей и холодной пластинами заполняют парами цезия, у которых атомы легко распадаются на ионы и электроны. КПД современных термоэ­миссионных генераторов 15—20 %.

Ведутся работы по созданию энергетических установок, ис­пользующих энергию гравитации, вакуума, низких темпера­тур окружающего воздуха для обогревания помещений по принципу теплового насоса ("холодильник наоборот", моро­зильное отделение которого помещено на улице).

ГРАФИКИ НАГРУЗКИ

Производство электрической и тепловой энергии на электро­станциях и их потребление различными пользователями - процессы взаимосвязанные. В силу физических закономерностей мощность потребления энергии в какой-либо момент времени должна быть рав­на генерируемой мощности. В этом заключается особенность энерге­тического производства. К сожалению, возможности складирования электрической и тепловой энергии отсутствуют. Практическое при­менение известных способов аккумулирования (накопления) различ­ных видов энергии весьма затруднительно.

В то же время работа отдельных приемников электрической и тепловой энергии (и суммарное потребление энергии) неравномерна.

Потребителю электроэнергии требуется днем больше, чем но­чью, в рабочие дни недели больше, чем в выходные, зимой больше, чем летом. Режим потребления электрической или тепловой энер­гии потребителем (предприятием, районом, городом, страной) в течение определенного отрезка времени (суток, месяца, года) отражается с помощью графика нагрузки. Различают суточный, месячный, годовой графики нагрузки.

График нагрузки — это зависимость потребляемой мощности от времени. Графики нагрузки существенно отличаются для выход­ных и рабочих дней, зимних и летних периодов и т.п. Графики на­грузки отдельных потребителей и в целом энергосистемы имеют не­равномерный характер.

Суточный график нагрузки района или города складывается из графиков нагрузки множества отдельных потребителей и отражает изменение во времени суммарной мощности всех потребителей рай­она или города, имеет минимумы - провалы - и максимумы - пики. Значит, в одни часы суток требуется большая суммарная мощность генераторов, в другие - часть генераторов или электростанций долж­на быть отключена или работать с меньшей нагрузкой. На рис. 2.8 представлен примерный график потребления электрической энергии в течение зимних суток в большом городе, имеющий два характер­ных пика - утром, в 8-9 часов (подъем людей и начало рабочего дня) и вечером, в 18-19 часов (наступление темноты и возвращение с работы), а также и характерный ночной провал нагрузки.

Рис. 2.8 Примерный график электропотребления

Из графиков нагрузки отдельных потребителей складывается суммарный график потребления для энергосистемы страны, так на­зываемая национальная кривая нагрузки. Задача энергосистемы со­стоит в обеспечении этого графика. Количество электростанций в энер­госистеме страны, их установленная мощность определяются относительно непродолжительным максимумом национальной кри­вой нагрузки. Это приводит к недоиспользованию оборудования, удо­рожанию энергосистем, росту себестоимости вырабатываемой элек­троэнергии.

Кардинально изменить характер потребления электрической и тепловой энергии весьма сложно. Более того, объективно существу­ет тенденция роста неравномерности энергопотребления в силу перс­пективы увеличения доли коммунально-бытовой нагрузки.

Более ровная форма национальной кривой нагрузки означает более эффективное использование энергетических ресурсов в масш­табах всей страны, и, следовательно, более успешную реализацию энергосберегающего потенциала.

Обеспечение графика нагрузки означает организацию беспе­ребойной подачи электроэнергии в часы ее максимального потреб­ления при дефиците мощности в энергосистеме, а в часы минимума потребления энергии – недопущение разгрузки той части генериру­ющего оборудования, для которой это приводит к существенному сокращению сроков работы, наличие в энергосистеме оборудова­ния, обладающего высокой маневренностью (газотурбинные уста­аки, гидроаккумулирующие станции и т.п.), и энергоаккумулирующих установок.

Чтобы обеспечить неравномерные графики нагрузки, электро­энергетические системы должны быть достаточно маневренными, т.е. способными быстро изменять мощность электростанций.

В промышленно развитых странах большая часть электроэнер­гии (около 80 %) вырабатывается на ТЭС, для которых наиболее же­лателен равномерный график нагрузки. На агрегатах этих станций невыгодно производить регулирование мощности. Обычные паровые котлы и турбины тепловых станций допускают изменение нагрузки на 10-15 %. Периодические включения и отключения ТЭС не позво­ляют решить задачу регулирования мощности из-за большой продол­жительности (несколько часов) этих процессов. Работа крупных ТЭС в резко переменном режиме нежелательна, так как приводит к повышенному расходу топлива, износу теплосилового оборудования и снижению его надежности. Еще более нежелательны переменные ре­жимы для АЭС. Поэтому ТЭС и АЭС работают в режиме так называ­емых базовых электростанций, покрывая не изменяющуюся постоян­ную нагрузку энергосистемы, т.е. базовую часть графика нагрузки. Дефицит в маневренных мощностях, т.е. пиковые и полупико­вые нагрузки энергосистемы покрываются газотурбинными или па­рогазовыми установками на ТЭС, ГАЭС, ГЭС, у которых набор пол­ной мощности от нуля можно произвести за 1—2 минуты, что широко применяется в белорусской энергосистеме. Регулирование мощнос­ти ГЭС производится следующим образом: когда в системе наступа­ют провалы нагрузки, ГЭС работают с незначительной мощностью, и вода заполняет водохранилище, при этом запасается энергия; с на­ступлением пиков нагрузки включаются агрегаты станции и выраба­тывается энергия. Накопление энергии в водохранилищах на равнин­ных реках приводит к затоплению обширных территорий, что является отрицательным экологическим фактором. Строительство ГЭС целе­сообразно на быстрых горных реках.

В Беларуси в настоящее время осуществляется программа вос­становления построенных в довоенные годы малых ГЭС, которые являются экологически чистыми возобновляемыми источниками энер­гии и будут способствовать обеспечению маневренности белорусской энергетической системы.

Решение задачи выравнивания национальной кривой нагрузки связано с разработкой и реализацией политики управления спросом на энергию, т.е. управления энергопотреблением. Управление спро­сом на энергию может осуществляться как социально-экономичес­кими, так и техническими мероприятиями и средствами.

Весьма действенным экономическим инструментом являются дифференцированные тарифы (цены) на электрическую и тепловую энергию: в периоды максимумов нагрузки они выше, что стимулиру­ет потребителей к перестройке работы с целью уменьшения потребле­ния энергии в такие часы.

Эффективной технической мерой выравнивания графиков на­грузок служит аккумулирование различных видов энергии: в часы провала нагрузки следует запасать электроэнергию, в часы макси­мума – использовать ее. Представляют значительный интерес идея так называемого встречного регулирования режима потребления и

способы се практического осуществления. Суть ее состоит в том, чтобы стимулировать потребителя к максимальному потреблению в часы минимума энергосистемы и к минимальному – в часы максимума.

Таким образом, можно определить три основных пути реше­ния проблемы несоответствия режимов энергопроизводства и энер­гопотребления и. следовательно, три конкретных задачи энергетичес­кого менеджмента:

· оптимизация структуры генерирующих мощностей, т.е. а­циональный выбор числа, видов, установленной мощности электри­ческих станций;

· разработка и использование системы социально-экономи­ческих мероприятий, стимулирующих потребителя к уменьшению
потребления энергии в часы максимумов нагрузки энергосистемы;

разработка и внедрение способов и устройств аккумулиро­вания энергии

Семинар 20-1

Дата добавления: 2015-10-23