Энергетические ресурсы: понятие, характеристика, классификация, основные виды топлива, новые виды энергии. Классификация топливно-энергетических ресурсов. Виды возобновляемых энергоресурсов

Содержание статьи

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ. На протяжении тысячелетий основными видами используемой человеком энергии были химическая энергия древесины, потенциальная энергия воды на плотинах, кинетическая энергия ветра и лучистая энергия солнечного света. Но в 19 в. главными источниками энергии стали ископаемые топлива: каменный уголь, нефть и природный газ.

В связи с быстрым ростом потребления энергии возникли многочисленные проблемы и встал вопрос о будущих источниках энергии. Достигнуты успехи в области энергосбережения. В последнее время ведутся поиски более чистых видов энергии, таких, как солнечная, геотермальная, энергия ветра и энергия термоядерного синтеза.

Потребление энергии всегда было прямо связано с состоянием экономики. Увеличение валового национального продукта (ВНП) сопровождалось увеличением потребления энергии. Однако энергоемкость ВНП (отношение использованной энергии к ВНП) в промышленно развитых странах постоянно снижается, а в развивающихся – возрастает.

ИСКОПАЕМЫЕ ТОПЛИВА

Существуют три основных вида ископаемых энергоносителей: уголь, нефть и природный газ. Примерные значения теплоты сгорания этих видов топлива, а также разведанные и промышленные (т.е. допускающие экономически рентабельную разработку при данном уровне техники) запасы нефти представлены в табл. 1 и 2.

Запасы нефти и природного газа.

Трудно точно рассчитать, на сколько лет еще хватит запасов нефти. Если существующие тенденции сохранятся, то годовое потребление нефти в мире к 2018 достигнет 3 млрд. т. Даже допуская, что промышленные запасы существенно возрастут, геологи приходят к выводу, что к 2030 будет исчерпано 80% разведанных мировых запасов нефти.

Запасы угля.

Запасы угля оценить легче (см . табл. 3). Три четверти мировых его запасов, составляющих по приближенной оценке 10 трлн. т, приходятся на страны бывшего СССР, США и КНР.

Хотя угля на Земле гораздо больше, чем нефти и природного газа, его запасы не безграничны. В 1990-х годах мировое потребление угля составляло более 2,3 млрд. т в год. В отличие от потребления нефти, потребление угля существенно увеличилось не только в развивающихся, но и в промышленно развитых странах. По существующим прогнозам, запасов угля должно хватить еще на 420 лет. Но если потребление будет расти нынешними темпами, то его запасов не хватит и на 200 лет.

ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ

Запасы урана.

В 1995 более или менее достоверные мировые запасы урана оценивались в 1,5 млн. т. Дополнительные ресурсы оценивались в 0,9 млн. т. Крупнейшие из известных источников урана находятся в Северной Америке, Австралии, Бразилии и Южной Африке. Считается, что большими количествами урана обладают страны бывшего Советского Союза.

В 1995 число действующих ядерных реакторов во всем мире достигло 400 (в 1970 – только 66) и их полная мощность составила около 300 000 МВт. В США планируется и ведется строительство лишь 55 новых АЭС, а проекты 113 других аннулированы.

Реактор-размножитель.

Ядерный реактор-размножитель обладает чудесной способностью, вырабатывая энергию, в то же время производить еще и новое ядерное топливо. К тому же он работает на более распространенном изотопе урана 238 U (преобразуя его в делящийся материал плутоний). Считается, что при использовании реакторов-размножителей запасов урана хватит не менее чем на 6000 лет. По-видимому, это ценная альтернатива ядерным реакторам нынешнего поколения.

Безопасность ядерных реакторов.

Даже самые строгие критики атомной энергетики не могут не признать, что в легководных ядерных реакторах ядерный взрыв невозможен. Однако существуют другие четыре проблемы: возможность (взрывного или приводящего к утечке) разрушения защитной оболочки реактора, радиоактивные выбросы (низкого уровня) в атмосферу, транспортировка радиоактивных материалов и длительное хранение радиоактивных отходов. Если активную зону реактора оставить без охлаждающей воды, то она быстро расплавится. Это может привести к взрыву пара и выбросу в атмосферу радиоактивных «осколков» ядерного деления. Правда, разработана система аварийного охлаждения активной зоны реактора, которая предотвращает расплавление, заливая активную зону водой в случае аварии в первом контуре реактора.

Однако действие такой системы исследовалось в основном путем компьютерного моделирования. Обстоятельная проверка некоторых результатов моделирования проводилась на небольших опытных реакторах в Японии, Германии и США. Самым слабым местом используемых компьютерных программ являются, по-видимому, предположения о том, что отказать может не более одного узла сразу и что ситуацию не усложнит ошибка оператора. Оба эти предположения оказались неверными в самой серьезной из аварий, происшедших на АЭС в США.

28 мая 1979 в Три-Майл-Айленде близ Гаррисберга (шт. Пенсильвания) отказ оборудования и ошибка оператора привели к выходу из строя реактора с частичным расплавлением его активной зоны. Небольшое количество радиоактивных веществ было выброшено в атмосферу. Через семь лет после аварии Министерству энергетики США удалось извлечь разрушенную сборку активной зоны для обследования. Ущерб, нанесенный жизням людей и их собственности за пределами территории АЭС, был незначителен, но из-за этой аварии у общественности сложилось неблагоприятное мнение о безопасности реактора.

В апреле 1986 произошла гораздо более серьезная авария на Чернобыльской АЭС в Советском Союзе. Во время плановой остановки одного из четырех графитовых кипящих реакторов неожиданно резко повысилась выходная мощность и в реакторе образовался газообразный водород. Взрыв водорода разрушил здание реактора. Частично расплавилась активная зона, загорелся графитовый замедлитель, и произошел выброс огромных количеств радиоактивных веществ в атмосферу. Два работника погибли при взрыве, не менее 30 других вскоре умерли от лучевой болезни. До 1000 человек были госпитализированы из-за облучения. Около 100 000 человек в Киевской, Гомельской и Черниговской областях получили большие дозы излучения. Оказались сильно загрязненными почва и вода в регионе, в том числе огромное Киевское водохранилище. После того как пожар был погашен, поврежденный реактор был закрыт «саркофагом» из бетона, свинца и песка. Радиоактивность, связанная с этой аварией, была зарегистрирована даже в Канаде и Японии. Уровень радиоактивности, измеренный в Париже, был, как утверждают, сравним с радиоактивным фоном в 1963, до подписания Соединенными Штатами и Советским Союзом договора о прекращении испытаний ядерного оружия в атмосфере.

Деление ядер – не идеальное решение проблемы энергоресурсов. Более перспективной в экологическом плане представляется энергия термоядерного синтеза.

Энергия термоядерного синтеза.

Такую энергию можно получать за счет образования тяжелых ядер из более легких. Этот процесс называется реакцией ядерного синтеза. Как и при делении ядер, небольшая доля массы преобразуется в большое количество энергии. Энергия, излучаемая Солнцем, возникает в результате образования ядер гелия из сливающихся ядер водорода. На Земле ученые ищут способ осуществления управляемого ядерного синтеза с использованием небольших, поддающихся контролю масс ядерного материала.

Дейтерием D и тритием T называются тяжелые изотопы водорода 2 H и 3 H. Атомы дейтерия и трития необходимо нагреть до температуры, при которой они полностью диссоциировались бы на электроны и «голые» ядра. Такая смесь несвязанных электронов и ядер называется плазмой. Для того чтобы создать реактор термоядерного синтеза, нужно выполнить три условия. Во-первых, плазма должна быть достаточно сильно нагрета, чтобы ядра могли сблизиться на расстояние, необходимое для взаимодействия. Для дейтерий-тритиевого синтеза необходимы очень высокие температуры. Во-вторых, плазма должна быть достаточно плотной, чтобы в одну секунду происходило много реакций. И в-третьих, плазма должна достаточно долго удерживаться от разлетания, чтобы могло выделиться значительное количество энергии.

Исследования в области управляемого термоядерного синтеза ведутся в двух основных направлениях. Одно из них – удержание плазмы магнитным полем, как бы в магнитной бутылке. Второе (метод инерционного удержания плазмы) – очень быстрое нагревание лучом мощного лазера (см . ЛАЗЕР) дейтерий-тритиевой крупинки (таблетки), вызывающее реакцию термоядерного синтеза в форме управляемого взрыва.

Энергия ядер дейтерия, содержащихся в 1 м 3 воды, равна примерно 3ґ 10 12 Дж. Иначе говоря, 1 м 3 морской воды в принципе может дать столько же энергии, как и 200 т нефти-сырца. Таким образом, мировой океан представляет собой практически неограниченный источник энергии.

В настоящее время ни методом магнитного, ни методом инерционного удержания плазмы еще не удалось создать условия, необходимые для термоядерного синтеза. Хотя наука неуклонно движется по пути все более глубокого понимания основных принципов реализации обоих методов, пока нет оснований полагать, что термоядерный синтез начнет давать реальный вклад в энергетику ранее 2010.

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

В последнее время исследуется ряд альтернативных источников энергии. Наиболее перспективным из них представляется солнечная энергия.

Солнечная энергия.

У солнечной энергии два основных преимущества. Во-первых, ее много и она относится к возобновляемым энергоресурсам: длительность существования Солнца оценивается приблизительно в 5 млрд. лет. Во-вторых, ее использование не влечет за собой нежелательных экологических последствий.

Однако использованию солнечной энергии мешает ряд трудностей. Хотя полное количество этой энергии огромно, она неконтролируемо рассеивается. Чтобы получать большие количества энергии, требуются коллекторные поверхности большой площади. Кроме того, возникает проблема нестабильности энергоснабжения: солнце не всегда светит. Даже в пустынях, где преобладает безоблачная погода, день сменяется ночью. Следовательно, необходимы накопители солнечной энергии. И наконец, многие виды применения солнечной энергии еще как следует не апробированы, и их экономическая рентабельность не доказана.

Можно указать три основных направления использования солнечной энергии: для отопления (в том числе горячего водоснабжения) и кондиционирования воздуха, для прямого преобразования в электроэнергию посредством солнечных фотоэлектрических преобразователей и для крупномасштабного производства электроэнергии на основе теплового цикла.

Геотермальная энергия.

Геотермальная энергия, т.е. теплота недр Земли, уже используется в ряде стран, например в Исландии, России, Италии и Новой Зеландии. Земная кора толщиной 32–35 км значительно тоньше лежащего под ней слоя – мантии, простирающейся примерно на 2900 км к горячему жидкому ядру. Мантия является источником богатых газами огненно-жидких пород (магмы), которые извергаются действующими вулканами. Тепло выделяется в основном вследствие радиоактивного распада веществ в земном ядре. Температура и количество этого тепла столь велики, что оно вызывает плавление пород мантии. Горячие породы могут создавать тепловые «мешки» под поверхностью, в контакте с которыми вода нагревается и даже превращается в пар. Поскольку такие «мешки» обычно герметичны, горячая вода и пар часто оказываются под большим давлением, а температура этих сред превышает точку кипения воды на поверхности земли. Наибольшие геотермальные ресурсы сосредоточены в вулканических зонах по границам корковых плит.

Основным недостатком геотермальной энергии является то, что ее ресурсы локализованы и ограничены, если изыскания не показывают наличия значительных залежей горячей породы или возможности бурения скважин до мантии. Существенного вклада этого ресурса в энергетику можно ожидать только в локальных географических зонах.

Гидроэнергия.

Гидроэнергетика дает почти треть электроэнергии, используемой во всем мире. Норвегия, где электроэнергии на душу населения больше, чем где-либо еще, живет почти исключительно гидроэнергией.

На гидроэлектростанциях (ГЭС) и гидроаккумулирующих электростанциях (ГАЭС) используется потенциальная энергия воды, накапливаемой с помощью плотин. У основания плотины расположены гидротурбины, приводимые во вращение водой (которая подводится к ним под нормальным давлением) и вращающие роторы генераторов электрического тока.

Существуют очень крупные ГЭС. Широко известны две большие ГЭС в России: Красноярская (6000 МВт) и Братская (4100 МВт). Самая крупная ГЭС в США – Грэнд-Кули полной мощностью 6480 МВт. В 1995 на гидроэнергетику приходилось около 7% электроэнергии, вырабатываемой в мире.

Гидроэнергия – один из самых дешевых и самых чистых энергоресурсов. Он возобновляем в том смысле, что водохранилища пополняются приточной речной и дождевой водой. Остается под вопросом целесообразность строительства ГЭС на равнинах.

Приливная энергетика.

Существуют приливные электростанции, в которых используется перепад уровней воды, образующийся во время прилива и отлива. Для этого отделяют прибрежный бассейн невысокой плотиной, которая задерживает приливную воду при отливе. Затем воду выпускают, и она вращает гидротурбины.

Приливные электростанции могут быть ценным энергетическим подспорьем местного характера, но на Земле не так много подходящих мест для их строительства, чтобы они могли изменить общую энергетическую ситуацию.

Ветроэнергетика.

Исследования, проведенные Национальной научной организацией США и НАСА, показали, что в США значительные количества ветроэнергии можно получать в районе Великих озер, на Восточном побережье и особенно на цепочке Алеутских островов. Максимальная расчетная мощность ветровых электростанций в этих областях может обеспечить 12% потребности США в электроэнергии в 2000. Крупнейшие ветроэлектростанции США расположены под Голдендейлом в штате Вашингтон, где каждый из трех генераторов (установленных на башнях высотой 60 м, с диаметром ветрового колеса, равным 90 м) дает 2,5 МВт электроэнергии. Проектируются системы на 4,0 МВт.

Твердые отходы и биомасса.

Примерно половину твердых отходов составляет вода. Легко собрать можно лишь 15% мусора. Самое большее, что могут дать твердые отходы, – это энергию, соответствующую примерно 3% потребляемой нефти и 6% природного газа. Следовательно, без радикальных улучшений в организации сбора твердых отходов они вряд ли дадут большой вклад в производство электроэнергии.

На биомассу – древесину и органические отходы – приходится около 14% полного потребления энергии в мире. Биомасса – обычное бытовое топливо во многих развивающихся странах.

Были предложения выращивать растения (в том числе и лес) как источник энергии. Быстрорастущие водяные растения способны давать до 190 т сухого продукта с гектара в год. Такие продукты можно сжигать в качестве топлива или пускать на перегонку для получения жидких или газообразных углеводородов. В Бразилии сахарный тростник был применен для производства спиртовых топлив, заменяющих бензин. Их стоимость ненамного превышает стоимость обычных ископаемых энергоносителей. При правильном ведении хозяйства такой энергоресурс может быть восполняемым. Необходимы дополнительные исследования, особенно быстрорастущих культур и их рентабельности с учетом затрат на сбор, транспортировку и размельчение.

Топливные элементы.

Топливные элементы как преобразователи химической энергии топлива в электроэнергию характеризуются более высоким КПД, нежели теплоэнергетические устройства, основанные на сжигании. Если КПД типичной электростанции, сжигающей топливо, не превышает примерно 40%, то КПД топливного элемента может достигать 85%. Правда, пока что топливные элементы относятся к дорогостоящим источникам электроэнергии.

РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

Хотя в мире пока еще не ощущается нехватки энергоресурсов, в предстоящие два-три десятилетия возможны серьезные трудности, если не появятся альтернативные источники энергии или не будет ограничен рост ее потребления. Очевидна необходимость более рационального использования энергии. Имеется ряд предложений по повышению эффективности аккумулирования и транспортирования энергии, а также по более эффективному ее использованию в различных отраслях промышленности, на транспорте и в быту.

Аккумулирование энергии.

Нагрузка электростанций изменяется на протяжении суток; происходят также ее сезонные изменения. Эффективность работы электростанций можно повысить, если в периоды провала графиков энергетической нагрузки затрачивать излишек мощности на перекачку воды в большой резервуар. Затем в периоды пиковой нагрузки можно выпускать воду, заставляя ее вырабатывать на ГАЭС дополнительную электроэнергию.

Более широкое применение могло бы найти использование мощности базового режима электростанции для накачки сжатого воздуха в подземные полости. Турбины, работающие на сжатом воздухе, позволили бы экономить первичные энергоресурсы в периоды повышенной нагрузки.

Передача электроэнергии.

Большие энергетические потери связаны с передачей электроэнергии. Для их снижения расширяется использование линий передачи и распределительных сетей с повышенным уровнем напряжения. Альтернативное направление – сверхпроводящие линии электропередачи. Электросопротивление некоторых металлов падает до нуля при охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю. По сверхпроводящим кабелям можно было бы передавать мощности до 10 000 МВт, так что для обеспечения электроэнергией всего Нью-Йорка было бы достаточно одного кабеля диаметром 60 см. Установлено, что некоторые керамические материалы становятся сверхпроводящими при не очень низких температурах, достижимых с помощью обычной холодильной техники. Это удивительное открытие могло бы привести к важным новациям не только в области передачи электроэнергии, но и в области наземного транспорта, компьютерной техники и техники ядерных реакторов.

Водород как теплоноситель.

Водород – это легкий газ, но он превращается в жидкость при - 253° C. Теплотворная способность жидкого водорода в 2,75 раза больше, чем природного газа. У водорода имеется и экологическое преимущество перед природным газом: при сжигании в воздухе он дает в основном лишь пары воды.

Водород можно было бы без особых трудностей транспортировать по трубопроводам для природного газа. Можно также хранить его в жидком виде в криогенных резервуарах. Водород легко диффундирует в некоторые металлы, например титан. Его можно накапливать в таких металлах, а затем выделять, нагревая металл.

Магнитогидродинамика (МГД).

Это метод, позволяющий более эффективно использовать ископаемые энергоносители. Идея состоит в том, чтобы заменить медные токовые обмотки обычного машинного электрогенератора потоком ионизованного (проводящего) газа. Наибольший экономический эффект МГД-генераторы могут давать, вероятно, при сжигании угля. Поскольку в них нет движущихся механических частей, они могут работать при очень высоких температурах, а это обеспечивает высокий КПД. Теоретически КПД таких генераторов может достигать 50–60%, что означало бы до 20% экономии по сравнению с современными электростанциями на ископаемых энергоносителях. Кроме того, МГД-генераторы дают меньше сбросной теплоты.

Дополнительное их преимущество состоит в том, что они в меньшей степени загрязняли бы атмосферу выбросами газообразных оксидов азота и соединений серы. Поэтому МГД-электростанции могли бы, не загрязняя окружающей среды, работать на углях с повышенным содержанием серы.

Серьезные исследования в области МГД-преобразователей ведутся в Японии, Германии и особенно в России. Так, например, в России была запущена малая МГД-установка мощностью 70 МВт на природном газе, которая служила также опытной для создания электростанции на 500 МВт. В США разработки ведутся в меньших масштабах и в основном в направлении систем, работающих на угле. В течение 500 ч непрерывно проработал МГД-генератор мощностью 200 МВт, построенный фирмой «Авко Эверетт».

Пределы потребления энергии.

Непрерывный рост потребления энергии не только ведет к истощению запасов энергоресурсов и загрязнению среды обитания, но и в конце концов может вызвать значительные изменения температуры и климата на Земле.

Литература:

Энергетические ресурсы СССР , тт. 1–2. М., 1968
Антропов П.Я. Топливно-энергетический потенциал Земли . М., 1974
Одум Г., Одум Е. Энергетический базис человека и природы . М., 1978

Общество в целом и каждый человек в отдельности не может обходиться без потребления энергии.

Энергия - способность производить работу или какое-то другое действие, меняющее состояние действующего субъекта. В широком смысле это - общая мера различных форм движения материи.

Для современного общества наиболее актуальными видами энергии являются электрическая итепловая . Другие разновидности - механическая, химическая, атомная и т.д. - можно считать промежуточными или вспомогательными.

Тепловая энергия (тепло, теплота) - энергия хаотического движения микрочастиц - является первичной энергией цепи преобразования энергии, ею же эта цепь и заканчивается.

Тепловая энергия используется человеком для обеспечения необходимых условий его существования, для развития и совершенствования общества, для получения электрической энергии на тепловых электростанциях, для технологических нужд производства, для отопления и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий. Источниками энергии могут служить вещества и системы, энергетический потенциал которых достаточен для последующего целенаправленного использования.

Энергетический потенциал является параметром, оценивающим возможность использования источника энергии, выражается в единицах энергии - Джоулях или киловатт-часах.

Энергетические ресурсы – это любые источники механической, химической и физической энергии.

Энергетические ресурсы можно разделить на:

¾ первичные, источник которых – природные ресурсы и природные явления;

¾ вторичные, куда относятся промежуточные продукты обогащения и сортировки углей; гудроны, мазуты и другие остаточные продукты переработки нефти; щепки, пни, сучья при заготовке древесины; горючие газы; тепло уходящих газов; горючая вода из систем охлаждения; отработанный пар силовых промышленных

Возобновляемые (древесина, гидроэнергия, энергия ветра, геотермальная энергия, торф, термоядерная энергия);

Вторичные (побочные)энергоресурсы (ВЭР) - это носители энергии, образующиеся в ходе производства, которые могут быть повторно использованы для получения энергии вне основного технологического процесса.

Около 90% используемых в настоящее время энергоресурсов составляют невозобновляющиеся (уголь, нефть, природный газ, уран и т.п.) благодаря их высокому энергетическому потенциалу, относительной доступности и целесообразности извлечения; темпы добычи и потребления их обусловливают энергетическую политику.

Эффективность использования энергоресурсов определяется степенью преобразования их энергетического потенциала в конечную используемую продукцию или потребляемые конечные виды энергии (механическая энергия движения, теплота для систем отопления или технологических нужд и т.д.), что характеризуется коэффициентом полезного использования энергоресурсов η эр :

ηэр = ηд ·ηп ·ηи

где η д - коэффициент добычи, извлечения потенциального запаса энергоресурса (отношение добытого ко всему количеству ресурса);

η п - коэффициент преобразования (отношения полученной энергии ко всей подведенной энергоресурсом);

η и - коэффициент использования энергии (отношение использованной энергии к подведенной к потребителю).

Для нефти η = 30…40%, для газа - 80%, угля - 40%. Современные топочные устройства при получении тепловой энергии из химической путем сжигания топлив позволяют получить ηп = 94…98%; при передачи тепла потребителю через системы теплоснабжения ηп снижается до 70…80%. Если же из тепловой энергии продуктов сгорания получается механическая с целью выработки электроэнергии (на тепловых электростанциях - ТЭС), то ηп = 30…40%; для двигателя внутреннего сгорания ηп = 20…30%. Величина ηи зависит от типа конкретного потребителя и условий эксплуатации (отопительные системы - 50%). В среднем ηэр = 36%.

1.2. Истощаемые и возобновляемые энергетические

ресурсы. Виды топлива, их состав и теплота сгорания.

Истощаемые ресурсы - это запасы топлива в недрах земли.

Мировой запас угля оценивается в 9-11 трлн.т. (условного топлива) при добыче более 4,2 млрд./год. Наибольшие разведанные месторождения уже находятся на территории США, СНГ, ФРГ, Австралии. Общегеологические запасы угля на территории СНГ составляют 6 трлн.т. /50% мировых/, в т.ч. каменные угли 4,7 и бурые угли – 2,1 трлн.т. Ежегодная добыча угля – более 700 млн.т., из них 40% открытым способом.

Мировой запас нефти оценивается в 840 млрд.т. условного топлива, из них 10% - достоверные и 90% - вероятные запасы. Основной поставщик нефти

на мировой рынок – страны Ближнего и Среднего Востока. Они располагают 66% мировых запасов нефти, Северная Америка – 4%, Россия – 8-10%. Отсутствуют месторождения нефти в Японии, ФРГ, Франции и многих других развитых странах.

Запасы природного газа оцениваются в 300-500 трлн. м3 . Потребление энергоресурсов в мире непрерывно повышается. В расчете на 1 человека потребление энергии за период 1990-2000 г.г. увеличилось в 5 раз. Однако это потребление энергоресурсов осуществляется крайне неравномерно. Примерно 70% мировой энергии потребляют промышленно развитые страны, в которых проживает около 30% населения Земли. В среднем на 1 человека приходится в Японии 1,5-5 т., в США – около 7т., а в развивающихся странах 0,15-0,3т. в нефтяном эквиваленте.

Человечество ещё, по крайней мере, 50 и более лет сможет обеспечить значительную часть своих потребностей в различных видах энергии за счет органического топлива. Ограничить чрезмерное их потребление могут два фактора:

- очевидная исчерпаемость запасов топлива;

- осознание неизбежности глобальной катастрофы из-за увеличения вредных выбросов в атмосферу.

К ресурсам возобновляемой энергии относятся:

- сток рек, волны, приливы и отливы, ветер как источники механической энергии;

- градиент температур воды морей и океанов, воздуха, недр земли /вулканов/ как источники тепловой энергии;

- солнечное излучение как источник лучистой энергии;

- растения и торф как источник химической энергии.

Топливо - вещество, выделяющее при определенных экономически целесообразных условиях большое количество тепловой энергии, которая в

дальнейшем используется непосредственно или преобразуется в другие виды энергии.

Топливо бывает:

¾ горючее - выделяет тепло при окислении, окислительобычно О2 , N2 , азотистая кислота, перекись водорода и пр.

¾ расщепляющееся или ядерное топливо (основа ядерной

энергетики 235 U (уран 235).

Горючее делят на органическое инеорганическое . Органическое горючееуглерод и углеводород. Горючее бываетприродное (добытое в недрах земли) иискусственное (переработанное природное). Искусственное в свою очередь делится накомпозиционное (полученное механической переработкой естественного, бывает в виде гранул, эмульсий, брикетов) исинтетическое (произведенное путем термохимической переработки естественного - бензин, керосин, дизельное топливо, угольный газ и т.д.).

Более 90% потребляемой энергии образуется при сжигании естественного органического топлива 3 видов:

♦ твердое топливо (уголь, торф, сланцы).

♦ жидкое топливо (нефть и газоконденсаты).

♦ газообразное топливо (природный газ, СН 4 , попутный газ нефти).

Органическое топливо состоит из следующих составляющих: горючая составляющая (органические ингредиенты - С, Н, О, N, S) и негорючая составляющая (состоит из влаги, минеральной части).

Общепринятое слово "горючее" - это топливо, предназначенное для сжигания (окисления). Обычно слово "топливо" и "горючее" воспринимаются как адекватные, т.к. чаще всего "топливо" и бывает представлено "горючим". Однако следует знать и другие разновидности топлива. Так, металлы алюминий, магний, железо и др. при окислении так же могут выделять много теплоты. Окислителем вообще могут быть кислород воздуха, чистый кислород

и его модификации (атомарный, озон), азотная кислота, перекись водорода и т.д.

Сейчас в основном используется ископаемое органическое горючее с окислителем - кислородом воздуха.

Различают три стадии преобразования исходного органического материала:

♦ торфяная стадия - распад высокомолекулярных веществ, синтез новых; при частичном доступе кислорода образуется торф и уголь, без доступа кислорода - нефть и газы;

♦ буроугольная стадия - при повышенной температуре и давлении идет полимеризация веществ, обогащение углеродом;

♦ каменноугольная стадия - дальнейшая углефикация.

Жидкая смесь углеводородов мигрировала сквозь пористые породы, при этом образовались месторождения нефти, газа; высокое содержание минеральных примесей приводило к возникновению горючих сланцев.

Твердое и жидкое органическое топливо характеризуется сложностью химического состава, поэтому обычно дается только процентное содержание (элементный или элементарный процентный состав топлива) химических элементов, без указания структур соединений.

Основной элемент, выделяющий теплоту при окислении - это углерод С, менее - водород Н. Особое внимание следует уделять сере S. Она заключена как в горючей, так и в минеральной части топлива. При сжигании сера влияет на коррозионную активность продуктов сгорания, поэтому это - нежелательный элемент. Влага W в продуктах сгорания представлена внешней ("мокрое" топливо), кристаллогидратной, образованной при окислении водорода. Минеральная часть А - это различные окислы, соли и другие соединения, образующие при сжигании золу.

Состав твердого и жидкого топлива выражается в % по массе, при этом за 100% могут быть приняты:

1) рабочая масса - используемая непосредственно для сжигания;

2) аналитическая масса - подготовленная к анализу;

3) сухая масса - без влаги;

4) сухая беззольная масса;

5) органическая масса.

Поэтому, например:

C p + Hp + Sp + NP + Ap + WP = 100

Состав топлива необходим для определения важнейшей характеристики топлива -- теплоты сгорания топлива (теплотворная способность топлива).

Теплота сгорания топлива -- это количество тепловой энергии, которая может выделиться в ходе химических реакций окисления горючих компонентов топлива с газообразным кислородом, измеряется в кДж/кг для твердого и жидкого, в кДж/м3 - для газообразного топлива.

При охлаждении продуктов сгорания влага может конденсироваться,

выделяя теплоту парообразования. Поэтому различают высшую Q В р - без учета конденсации влаги, и низшуюQ Н р - теплоту сгорания, при этом:

Q Н р = 339,1С р + 1035,94Н р − 108,86(О р − S р ) − 24,6W р

Средние теплоты сгорания, кДж/кг(кДж/м3 )Q Н р

мазут ……….………..40200 соляр…………………42000

торф………..………….8120

бурый уголь….……….7900

антрацит……………..20900

природный газ……….35800

Для сравнения различных видов топлива их приводят к единому эквиваленту - условному топливу , имеющему теплоту сгорания 20308 кДж/кг (7000 ккал/кг). Для пересчета реального топлива в условное используется тепловой эквивалент:

Твердое органическое топливо по степени углефикации делится на древесину, торф, бурый уголь, каменный уголь, антрацит.

Важной характеристикой, влияющей на процесс горения твердого топлива, является выход летучих веществ (убыль массы топлива при нагреве его без кислорода при 850о С в течение 7 мин). По этому признаку угли делят на бурые (выход летучих более 40%), каменные (10 - 40%), антрациты (менее

10%). Воспламеняемость антрацитов поэтому хуже, но Q Н р выше. Это надо учитывать при организации процесса сжигания.

Зола - порошкообразный горючий остаток, образующийся при полном окислении горючих элементов, термического разложения и обжига минеральных примесей.

Шлак - спекшаяся зола.

Эти продукты сгорания оказывают большое влияние на КПД топочного оборудования (загрязнения, зашлаковка), надежность работы (разрушение обмуровок, пережог труб).

Нефть в сыром виде редко используется как топливо, чаще всего для этой цели идут нефтепродукты. В зависимости от температуры перегонки нефтепродукты делят на фракции: бензиновые (200-225о С); керосиновые (140300о С); дизельные (190-350о С); соляровые (300-400о С); мазутные (более 350о С). В котлах котельных и электростанций обычно сжигается мазут, в бытовых отопительных установках - печное бытовое (смесь средних фракций).

К природным газам относится газ, добываемый из чисто газовых месторождений, газ конденсатных месторождений, шахтный метан и др. Основной компонент природного газа - метан. В энергетике используется газ, концентрация СН4 в котором выше 30% (за пределами взрывоопасности).

Искусственные горючие газы - результат технологических процессов переработки нефти и других горючих ископаемых (нефтезаводские газы, коксовый и доменный газы, сжиженные газы, газы подземной газификации угля и др.).

Из композиционных топлив, как наиболее употребительное, можно назвать брикеты - механическая смесь угольной или торфяной мелочи со связующими веществами (битум и др.), спрессованная под давлением до 100 МПа в специальных прессах.

Синтетическое топливо (полукокс, кокс, угольные смолы) в Беларуси не используется.

Расщепляющееся топливо - вещество, способное выделять большое количество энергии за счет торможения продуктов деления тяжелых ядер (урана, плутония). В качестве ядерного топлива используется природный

изотоп урана 235 U , доля которых во всех запасах урана менее 1%.

Природное топливо располагается в земной коре. Запасы угля в мире оцениваются в 14 триллионов тон (Азия - 63%, Америка - 27%). Основные запасы угля - Россия, США, Китай. Все количество угля можно представить в виде куба со стороны 21 км; из него ежегодно "выедается" человеком на свои разносторонние нужды "кубик" с ребром 1,8 км. Очевидно, при таком темпе потребления этого угля хватит на срок порядка 1000 лет. Поэтому, в общем разговоры о топливных и энергетических кризисах скорее имеют политическую, чем ресурсную подоплеку. Другое дело - уголь тяжелое, неудобное топливо, имеющее много минеральных примесей, что усложняет его использование, но главное - запасы его распределения крайне неравномерно.

Общеизвестны страны, обладающие самыми богатыми месторождениями нефти, при этом разведанные запасы нефти все время увеличиваются; прирост идет в основном за счет морских шельфов. Если некоторые страны берегут свои запасы в земле (США), другие (Россия) интенсивно их "выкачивают". Общие запасы нефти в мире ниже, чем угля, но более удобное для использования топливо, особенно в переработанном виде. После подъема через скважину нефть подается потребителям в основном нефтепроводами, железной дорогой, танкерами, расстояние может достигать нескольких тысяч километров. Поэтому в себестоимости нефти существенную долю имеет транспортная составляющая. Энергосбережение при добычи и транспортировке жидкого топлива заключается в уменьшении расхода электроэнергии на прокачку (удаление вязких парафинистых компонентов, нагрев нефти, применение экономичных насосов, увеличение диаметров нефтепроводов).

Природный газ располагается в залежах, представляющих собой купола из водонепроницаемого слоя (типа глины), под которым в пористой среде (передатчик) под давлением находится газ, состоящая в основном из СН4 . На выходе из скважины газ очищается от песчаной взвеси, капель конденсата и других включений и подается на магистральный газопровод диаметром 0,5…1,5 м длиной несколько тысяч километров. Давление газа в газопроводе поддерживается на уровне 5 МПа при помощи компенсаторов, установленных через каждые 100…150 км. Компрессоры вращаются газовыми турбинами, потребляющими газ, общий расход газа составляет 10…12% от всего прокачиваемого. Поэтому транспорт газообразного топлива весьма энергозатратен. Транспортные расходы намного ниже для сжигания газа, но и доля его потребления мала. Энергосбережение при добычи и транспорте газообразного топлива заключается в использование передовых технологий бурения, очистки, распределения, повышения экономичности газотурбинных установок для привода компрессоров магистралей.

Энергетика, энергосбережение и

Общество в целом и каждый человек в отдельности не может обходиться без потребления энергии.

Энергия - способность производить работу или какое-то другое действие, меняющее состояние действующего субъекта. В широком смысле это - общая мера различных форм движения материи.

Для современного общества наиболее актуальными видами энергии являются электрическая итепловая . Другие разновидности - механическая, химическая, атомная и т.д. - можно считать промежуточными или вспомогательными.

Тепловая энергия (тепло, теплота) - энергия хаотического движения микрочастиц - является первичной энергией цепи преобразования энергии, ею же эта цепь и заканчивается.

Тепловая энергия используется человеком для обеспечения необходимых условий его существования, для развития и совершенствования общества, для получения электрической энергии на тепловых электростанциях, для технологических нужд производства, для отопления и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий. Источниками энергии могут служить вещества и системы, энергетический потенциал которых достаточен для последующего целенаправленного использования.

Энергетический потенциал является параметром, оценивающим возможность использования источника энергии, выражается в единицах энергии - Джоулях или киловатт-часах.

Энергетические ресурсы – это любые источники механической, химической и физической энергии.

Энергетические ресурсы можно разделить на:

Ø первичные, источник которых – природные ресурсы и природные явления;

Ø вторичные, куда относятся промежуточные продукты обогащения и сортировки углей; гудроны, мазуты и другие остаточные продукты переработки нефти; щепки, пни, сучья при заготовке древесины; горючие газы; тепло уходящих газов; горючая вода из систем охлаждения; отработанный пар силовых промышленных установок.

Первичные энергетические ресурсы делят на:

Невозобновляемые или истощаемые (уголь, нефть, сланцы, природный газ, горючее);

Возобновляемые (древесина, гидроэнергия, энергия ветра, геотермальная энергия, торф, термоядерная энергия);

Вторичные (побочные) энергоресурсы (ВЭР) - это носители энергии, образующиеся в ходе производства, которые могут быть повторно использованы для получения энергии вне основного технологического процесса.

Около 90% используемых в настоящее время энергоресурсов составляют невозобновляющиеся (уголь, нефть, природный газ, уран и т.п.) благодаря их высокому энергетическому потенциалу, относительной доступности и целесообразности извлечения; темпы добычи и потребления их обусловливают энергетическую политику.

Эффективность использования энергоресурсов определяется степенью преобразования их энергетического потенциала в конечную используемую продукцию или потребляемые конечные виды энергии (механическая энергия движения, теплота для систем отопления или технологических нужд и т.д.), что характеризуется коэффициентом полезного использования энергоресурсов η эр:

η эр = η д ∙η п ∙η и

где η д - коэффициент добычи, извлечения потенциального запаса энергоресурса (отношение добытого ко всему количеству ресурса);

η п - коэффициент преобразования (отношения полученной энергии ко всей подведенной энергоресурсом);

η и - коэффициент использования энергии (отношение использованной энергии к подведенной к потребителю).

Для нефти η = 30…40%, для газа - 80%, угля - 40%. Современные топочные устройства при получении тепловой энергии из химической путем сжигания топлив позволяют получить η п = 94…98%; при передачи тепла потребителю через системы теплоснабжения η п снижается до 70…80%. Если же из тепловой энергии продуктов сгорания получается механическая с целью выработки электроэнергии (на тепловых электростанциях - ТЭС), то η п = 30…40%; для двигателя внутреннего сгорания η п = 20…30%. Величина η и зависит от типа конкретного потребителя и условий эксплуатации (отопительные системы - 50%). В среднем η эр = 36%.

1.2. Истощаемые и возобновляемые энергетические

ресурсы. Виды топлива, их состав и теплота сгорания.

Истощаемые ресурсы - это запасы топлива в недрах земли.

Мировой запас угля оценивается в 9-11 трлн.т. (условного топлива) при добыче более 4,2 млрд./год. Наибольшие разведанные месторождения уже находятся на территории США, СНГ, ФРГ, Австралии. Общегеологические запасы угля на территории СНГ составляют 6 трлн.т. /50% мировых/, в т.ч. каменные угли 4,7 и бурые угли – 2,1 трлн.т. Ежегодная добыча угля – более 700 млн.т., из них 40% открытым способом.

Мировой запас нефти оценивается в 840 млрд.т. условного топлива, из них 10% - достоверные и 90% - вероятные запасы. Основной поставщик нефти на мировой рынок – страны Ближнего и Среднего Востока. Они располагают 66% мировых запасов нефти, Северная Америка – 4%, Россия – 8-10%. Отсутствуют месторождения нефти в Японии, ФРГ, Франции и многих других развитых странах.

Запасы природного газа оцениваются в 300-500 трлн. м 3 . Потребление энергоресурсов в мире непрерывно повышается. В расчете на 1 человека потребление энергии за период 1990-2000 г.г. увеличилось в 5 раз. Однако это потребление энергоресурсов осуществляется крайне неравномерно. Примерно 70% мировой энергии потребляют промышленно развитые страны, в которых проживает около 30% населения Земли. В среднем на 1 человека приходится в Японии 1,5-5 т., в США – около 7т., а в развивающихся странах 0,15-0,3т. в нефтяном эквиваленте.

Человечество ещё, по крайней мере, 50 и более лет сможет обеспечить значительную часть своих потребностей в различных видах энергии за счет органического топлива. Ограничить чрезмерное их потребление могут два фактора:

Очевидная исчерпаемость запасов топлива;

Осознание неизбежности глобальной катастрофы из-за увеличения вредных выбросов в атмосферу.

К ресурсам возобновляемой энергии относятся :

Сток рек, волны, приливы и отливы, ветер как источники механической энергии;

Градиент температур воды морей и океанов, воздуха, недр земли /вулканов/ как источники тепловой энергии;

Солнечное излучение как источник лучистой энергии;

Растения и торф как источник химической энергии.

Топливо - вещество, выделяющее при определенных экономически целесообразных условиях большое количество тепловой энергии, которая в дальнейшем используется непосредственно или преобразуется в другие виды энергии.

Топливо бывает:

Ø горючее - выделяет тепло при окислении, окислитель- обычно О 2 , N 2 , азотистая кислота, перекись водорода и пр.

Ø расщепляющееся или ядерное топливо (основа ядерной энергетики (уран 235).

Горючее делят на органическое и неорганическое . Органическое горючее- углерод и углеводород. Горючее бывает природное (добытое в недрах земли) и искусственное (переработанное природное). Искусственное в свою очередь делится на композиционное (полученное механической переработкой естественного, бывает в виде гранул, эмульсий, брикетов) и синтетическое (произведенное путем термохимической переработки естественного - бензин, керосин, дизельное топливо, угольный газ и т.д.).

Более 90% потребляемой энергии образуется при сжигании естественного органического топлива 3 видов:

¨ твердое топливо (уголь, торф, сланцы).

¨ жидкое топливо (нефть и газоконденсаты).

¨ газообразное топливо (природный газ, СН 4 , попутный газ нефти).

Органическое топливо состоит из следующих составляющих: горючая составляющая (органические ингредиенты - С, Н, О, N, S) и негорючая составляющая (состоит из влаги, минеральной части).

Общепринятое слово "горючее" - это топливо, предназначенное для сжигания (окисления). Обычно слово "топливо" и "горючее" воспринимаются как адекватные, т.к. чаще всего "топливо" и бывает представлено "горючим". Однако следует знать и другие разновидности топлива. Так, металлы алюминий, магний, железо и др. при окислении так же могут выделять много теплоты. Окислителем вообще могут быть кислород воздуха, чистый кислород и его модификации (атомарный, озон), азотная кислота, перекись водорода и т.д.

Сейчас в основном используется ископаемое органическое горючее с окислителем - кислородом воздуха.

Различают три стадии преобразования исходного органического материала:

¨ торфяная стадия - распад высокомолекулярных веществ, синтез новых; при частичном доступе кислорода образуется торф и уголь, без доступа кислорода - нефть и газы;

¨ буроугольная стадия - при повышенной температуре и давлении идет полимеризация веществ, обогащение углеродом;

¨ каменноугольная стадия - дальнейшая углефикация.

Жидкая смесь углеводородов мигрировала сквозь пористые породы, при этом образовались месторождения нефти, газа; высокое содержание минеральных примесей приводило к возникновению горючих сланцев.

Твердое и жидкое органическое топливо характеризуется сложностью химического состава, поэтому обычно дается только процентное содержание (элементный или элементарный процентный состав топлива) химических элементов, без указания структур соединений.

Основной элемент, выделяющий теплоту при окислении - это углерод С, менее - водород Н. Особое внимание следует уделять сере S. Она заключена как в горючей, так и в минеральной части топлива. При сжигании сера влияет на коррозионную активность продуктов сгорания, поэтому это - нежелательный элемент. Влага W в продуктах сгорания представлена внешней ("мокрое" топливо), кристаллогидратной, образованной при окислении водорода. Минеральная часть А - это различные окислы, соли и другие соединения, образующие при сжигании золу.

Состав твердого и жидкого топлива выражается в % по массе, при этом за 100% могут быть приняты:

1) рабочая масса - используемая непосредственно для сжигания;

2) аналитическая масса - подготовленная к анализу;

3) сухая масса - без влаги;

4) сухая беззольная масса;

5) органическая масса.

Поэтому, например:

Состав топлива необходим для определения важнейшей характеристики топлива --теплоты сгорания топлива (теплотворная способность топлива).

Теплота сгорания топлива -- это количество тепловой энергии, которая может выделиться в ходе химических реакций окисления горючих компонентов топлива с газообразным кислородом, измеряется в кДж/кг для твердого и жидкого, в кДж/м 3 - для газообразного топлива.

При охлаждении продуктов сгорания влага может конденсироваться, выделяя теплоту парообразования. Поэтому различают высшую - без учета конденсации влаги, и низшую - теплоту сгорания, при этом:

Средние теплоты сгорания, кДж/кг(кДж/м 3)

мазут ……….………..40200

соляр…………………42000

торф………..………….8120

бурый уголь….……….7900

антрацит……………..20900

природный газ……….35800

Для сравнения различных видов топлива их приводят к единому эквиваленту - условному топливу , имеющему теплоту сгорания 20308 кДж/кг (7000 ккал/кг). Для пересчета реального топлива в условное используется тепловой эквивалент:

· для угля в среднем - 0,718;

· газа природного - 1,24;

· нефти - 1,43;

· мазут - 1,3;

· торфа - 0,4;

· дров - 0,25.

Твердое органическое топливо по степени углефикации делится на древесину, торф, бурый уголь, каменный уголь, антрацит.

Важной характеристикой, влияющей на процесс горения твердого топлива, является выход летучих веществ (убыль массы топлива при нагреве его без кислорода при 850 о С в течение 7 мин). По этому признаку угли делят на бурые (выход летучих более 40%), каменные (10 - 40%), антрациты (менее 10%). Воспламеняемость антрацитов поэтому хуже, но выше. Это надо учитывать при организации процесса сжигания.

Зола - порошкообразный горючий остаток, образующийся при полном окислении горючих элементов, термического разложения и обжига минеральных примесей.

Шлак - спекшаяся зола.

Эти продукты сгорания оказывают большое влияние на КПД топочного оборудования (загрязнения, зашлаковка), надежность работы (разрушение обмуровок, пережог труб).

Нефть в сыром виде редко используется как топливо, чаще всего для этой цели идут нефтепродукты. В зависимости от температуры перегонки нефтепродукты делят на фракции: бензиновые (200-225 о С); керосиновые (140-300 о С); дизельные (190-350 о С); соляровые (300-400 о С); мазутные (более 350 о С). В котлах котельных и электростанций обычно сжигается мазут, в бытовых отопительных установках - печное бытовое (смесь средних фракций).

К природным газам относится газ, добываемый из чисто газовых месторождений, газ конденсатных месторождений, шахтный метан и др. Основной компонент природного газа - метан. В энергетике используется газ, концентрация СН 4 в котором выше 30% (за пределами взрывоопасности).

Искусственные горючие газы - результат технологических процессов переработки нефти и других горючих ископаемых (нефтезаводские газы, коксовый и доменный газы, сжиженные газы, газы подземной газификации угля и др.).

Из композиционных топлив, как наиболее употребительное, можно назвать брикеты - механическая смесь угольной или торфяной мелочи со связующими веществами (битум и др.), спрессованная под давлением до 100 МПа в специальных прессах.

Синтетическое топливо (полукокс, кокс, угольные смолы) в Беларуси не используется.

Расщепляющееся топливо - вещество, способное выделять большое количество энергии за счет торможения продуктов деления тяжелых ядер (урана, плутония). В качестве ядерного топлива используется природный изотоп урана , доля которых во всех запасах урана менее 1%.

Природное топливо располагается в земной коре. Запасы угля в мире оцениваются в 14 триллионов тон (Азия - 63%, Америка - 27%). Основные запасы угля - Россия, США, Китай. Все количество угля можно представить в виде куба со стороны 21 км; из него ежегодно "выедается" человеком на свои разносторонние нужды "кубик" с ребром 1,8 км. Очевидно, при таком темпе потребления этого угля хватит на срок порядка 1000 лет. Поэтому, в общем разговоры о топливных и энергетических кризисах скорее имеют политическую, чем ресурсную подоплеку. Другое дело - уголь тяжелое, неудобное топливо, имеющее много минеральных примесей, что усложняет его использование, но главное - запасы его распределения крайне неравномерно.

Общеизвестны страны, обладающие самыми богатыми месторождениями нефти, при этом разведанные запасы нефти все время увеличиваются; прирост идет в основном за счет морских шельфов. Если некоторые страны берегут свои запасы в земле (США), другие (Россия) интенсивно их "выкачивают". Общие запасы нефти в мире ниже, чем угля, но более удобное для использования топливо, особенно в переработанном виде. После подъема через скважину нефть подается потребителям в основном нефтепроводами, железной дорогой, танкерами, расстояние может достигать нескольких тысяч километров. Поэтому в себестоимости нефти существенную долю имеет транспортная составляющая. Энергосбережение при добычи и транспортировке жидкого топлива заключается в уменьшении расхода электроэнергии на прокачку (удаление вязких парафинистых компонентов, нагрев нефти, применение экономичных насосов, увеличение диаметров нефтепроводов).

Природный газ располагается в залежах, представляющих собой купола из водонепроницаемого слоя (типа глины), под которым в пористой среде (передатчик) под давлением находится газ, состоящая в основном из СН 4 . На выходе из скважины газ очищается от песчаной взвеси, капель конденсата и других включений и подается на магистральный газопровод диаметром 0,5…1,5 м длиной несколько тысяч километров. Давление газа в газопроводе поддерживается на уровне 5 МПа при помощи компенсаторов, установленных через каждые 100…150 км. Компрессоры вращаются газовыми турбинами, потребляющими газ, общий расход газа составляет 10…12% от всего прокачиваемого. Поэтому транспорт газообразного топлива весьма энергозатратен. Транспортные расходы намного ниже для сжигания газа, но и доля его потребления мала. Энергосбережение при добычи и транспорте газообразного топлива заключается в использование передовых технологий бурения, очистки, распределения, повышения экономичности газотурбинных установок для привода компрессоров магистралей.

Для всех видов топлива коэффициент извлечения из недр составляет 0,3…0,6, а для его увеличения требуется существенные затраты.

1.3. Основные типы электростанций.

Электрическая станция – предприятие или установка, вырабатывающая электроэнергию путем преобразования других видов энергии.

Электрические станции вырабатывают электрическую и тепловую энергию для нужд народного хозяйства страны и коммунально-бытового обслуживания. В зависимости от источника энергии различают:

· тепловые электростанции (ТЭС);

· гидроэлектрические станции (ГЭС);

· атомные станции (АЭС) и др.

В учебном пособии излагаются общие вопросы энергетики, характеризующие структуру топливно-энергетического комплекса и основные показатели единой энергетической системы России. Дана общая характеристика тепловых, атомных и гидравлических электростанций, электрических и тепловых сетей, потребителей электроэнергии, приведены типовые графики электрических и тепловых нагрузок энергосистем и условия обеспечения балансов мощности и энергии. Рассмотрены виды и характеристики углеводородных топлив как невозобновляемых источников энергии. Рассмотрены теоретические основы преобразования энергии в тепловых двигателях и их термодинамические циклы. Приведены тепловые, технологические и компоновочные схемы тепловых и атомных электростанций, рассмотрено их основное и вспомогательное оборудование. Дана общая характеристика гидроэнергетических установок и рассмотрены процессы преобразования гидроэнергии в электрическую энергию на различных типах гидроэнергоустановок. Рассмотрены природоохранные проблемы гидроэнергетики и их учет при проектировании гидроэлектростанций, а также проблемы и перспективы использования традиционных и нетрадиционных, возобновляемых и невозобновляемых источников энергии.

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности 140211 “Электроснабжение”.

Используемая аббревиатура

АКЭС – атомная конденсационная электростанция;

АСКУЭ – автоматизированная система коммерческого учета электроэнергии;

АТЭЦ – атомная теплоэлектроцентраль;

ВЛ – воздушная линия (электропередачи);

ВолЭС – волновая энергетическая станция;

ГиТЭС – гидротермальная электростанция;

ГАЭС – гидравлическая аккумулирующая электростанция;

ГВС – горячее водоснабжение;

ГПП – главная понизительная подстанция;

ГеоЭС – геотермальная электростанция;

ГЭС – гидравлическая электростанция;

ГРЭС – государственная районная электростанция;

ЕЭС – единая энергосистема;

КЛ – кабельная линия (электропередачи);

КЭС – конденсационная электростанция;

ЛЭП – линия электропередачи;

ОЭС – объединенная энергосистема;

ПЭС – приливная электростанция;

РЗАиТ – релейная защита, автоматика и телемеханика;

РП – распределительный пункт (подстанция);

РЭС – районная энергосистема;

СКЭС – солнечная космическая электростанция;

СЭС – солнечная электростанция;

ТВЭЛ – тепловыделяющий элемент;

ТП – трансформаторная подстанция;

ТЭК – топливно-энергетический комплекс;

ТЭС – тепловая электростанция;

ТЭЦ – теплофикационная электроцентраль (теплоэлектроцентраль);

ФОРЭМ – фондовый оптовый рынок энергии и мощности;

НОРЭМ – новый фондовый оптовый рынок энергии и мощности;

ЭС – электростанция;

ЭСМТ – электростанция морских течений.

Введение

Научно-технический прогресс немыслим без развития энергетики и электрификации производств. Для повы­шения производительности труда первостепенное значение имеет автоматизация про­изводственных процессов, базирующаяся, прежде всего, на применении электрической энергии. Основными потребителями электроэнергии в производстве продукции являются электрические машины, мощность которых варьируется от единиц ватт до десятков мегаватт, причем рост планетарного населения, с одной стороны, и рост материальных потребностей, с другой, неизбежно ведут к наращиванию потребляемой электроэнергии с каждым годом.

Для производства электрической энергии применяются различные электростанции, базирующиеся на сжигании природных энергетических ресурсов. Вместе с тем, запасы тради­ционных природных топлив (нефти, угля, газа и др.) не бесконечны. Ограничены запасы и ядерного топлива - урана и тория, из которого с помощью реакторов можно получать плутоний. Поэтому на сегодняшний день важно не только развивать добычу экономически выгодных источников энергии, но и рационально использовать имеющиеся природные ресурсы для производства электроэнергии без существенного ущерба окружающей среде. Отсюда – широчайший комплекс проблем технико-экономического, экологического и социального характера в области энергетики.

Учебная дисциплина “Общая энергетика” рассматривает общие вопросы формирования и функционирования топливно-энергетического комплекса (ТЭК) страны, основу которого составляют районные энергетические системы (РЭС), объединенные в единую энергетическую систему (ЕЭС) России.

Энергетическая система представляет собой совокупность электрических станций, электрических и тепловых сетей и узлов потребления, объединенных процессом производства, передачи и распределения электроэнергии и тепловой энергии по потребителям.

Электроэнергетика - ведущая часть энергетики, обеспечивающая электрификацию страны на основе рационального производства и распределения электрической энергии. Электроэнергетика имеет важнейшее значение в хозяйстве любой страны, что объясняется таки­ми преимуществами электрической энергии перед энергией других видов, как относительная легкость передачи ее на большие расстояния, распределе­ния между потребителями, а также преобразования в другие виды энер­гии (механическую, тепловую, химическую, световую и др.).

В силу специфики своего производства электроэнергетика занимает особое положение. В электроэнергетике хи­мическая энергия, запасенная в топливе, энергия падения воды, солнеч­ная, ветровая и другие виды энергии проходят путь последовательного преоб­разования в тепловую, механическую и, наконец, в электри­ческую энергию. В основе такого преобразования лежат термодинамические циклы тепловых двигателей. Промежуточным продук­том в этом процессе преобразования энергии, получившим широкое потребительское значение, является тепловая энергия.

Важнейшими вопросами энергетики и электроэнергетики , нашедшими отражение в учебных дисциплинах специальности, являются:

Электропитающие системы и электрические сети;

Системы электроснабжения;

Релейная защита, автоматика и телемеханика (РЗАиТ) систем электроснабжения;

Переходные процессы в электроэнергетике;

Электромагнитная совместимость в электроэнергетике;

Надежность электроснабжения;

Информационные системы в управлении электроснабжением;

Энергосбережение и энергоаудит.

1. Общие вопросы энергетики

1.1. Энергетические ресурсы земли и их использование

Уровень материальной, а, в конечном счете, и духовной культуры людей находятся в прямой зависимости от количества энергии, имеющейся в их распоряжении. Самоограничение в использовании энергии тепла и электроэнергии входит в противоречие с естественным желанием человека жить комфортно в современном цивилизованном обществе. При этом население земли и потребности людей непрерывно растут. Структура мирового энергохозяйства к сегодняшнему дню такова, что практически 80% произведенной энергии на земле производится путем сжигания органического топлива. При этом попытки решить энергетические проблемы сегодняшнего дня увеличением числа тепловых электростанций обречены на провал в силу целого ряда причин, обусловленных как ограниченными ресурсами традиционных органических топлив и, как следствие, неизбежным ростом цен на них, так и возросшими требованиями к защите окружающей среды. Отсюда – стремление выработки национальных энергетических программ ведущими промышленными странами, обеспечивающими оптимизацию внутреннего энергетического баланса. При этом со стороны наиболее развитых в экономическом плане стран неизбежно стремление контроля мировых энергоресурсов и распространение влияния над их добычей и распределением.

Сама по себе энергия представляет собой ничто иное, как способность совершать ту или иную работу. Огромное количество энергии содержится в ископаемом топливе, деревьях, растениях, воздухе, воде, солнце, в самих людях и животных, однако процесс преобразования ее в полезную работу может быть как технически, так и экономически малоэффективным. При этом среди источников энергии различают возобновляемые и невозобновляемые природой, традиционные и нетрадиционные.

К возобновляемым источникам энергии условно относят источники энергии, которые в обозримом будущем, исчисляемым тысячелетиями, неиссякнут. К таким источникам энергии относят энергию рек, морей и океанов, солнечную, ветровую, геотермальную энергию, биоэнергию и др.

К невозобновляемым источникам энергии относят источники энергии, которые после преобразования их в иной вид энергии теряют возможность последующего использования. К таким источникам энергии относят ископаемые органические виды топлив (торф, уголь, горючие сланцы, нефть и продукты ее переработки, природный и искусственный газ, ядерное топливо и др.).

К традиционным источникам энергии относят источники энергии, которые используются для выработки электрической и тепловой энергии в традиционных энергетических установках – котельных установках, тепловых, атомных и гидравлических электростанциях. К таким источникам энергии относят торф, уголь, газ, мазут, ядерное топливо, а также возобновляемый природой источник энергии - гидравлическая энергия рек.

К нетрадиционным источникам энергии относят источники энергии, которые не являются общепринятыми для выработки электрической и тепловой энергии в традиционных энергетических установках. К таким источникам энергии относят энергию ветра, солнца, земли, морей и океанов и др. К нетрадиционной энергетике относят также водородную энергетику, биоэнергетику, энергетику вторичных ресурсов.

Потребление энергии – важный показатель жизненного уровня. К настоящему времени в России и Европейских странах производство электроэнергии на душу населения достигло в среднем 6-7 тысяч кВт∙ч, а в США и Канаде вдвое больше. При этом наблюдается ежегодный рост удельного энергопотребления в развитых странах.

Учитывая результаты прогнозов по запасам нефти и природного газа, которых хватит на 50-70 лет, и запасов угля, которых хватит на 600-1000 лет, можно считать, что на данном этапе развития науки и техники тепловые электростанции будут еще долгое время преобладать над остальными нетрадиционными источниками энергии. Из мировых запасов нефти, объем которых оценивают в 2 триллиона баррелей, около 900 миллиардов уже использовано. Поскольку уже началось существенное удорожание нефти и природного газа, следует ожидать, что тепловые электростанции, работающие на мазуте и газе, к концу 21-го века будут вытеснены станциями на угле. Пока же наблюдается сокращение добычи угля, что связано не столько с относительно низкой его калорийностью, сколько с проблемами добычи и транспортировки, а также ухудшения экологии за счет вредных выбросов в атмосферу при сжигании этого топлива в котельных установках.

На этом фоне экологически чистыми и практически неисчерпаемыми в обозримом будущем являются речные гидроресурсы, однако в Западной Европе они уже в значительной мере задействованы и возможности строительства новых гидроэлектростанций весьма проблематичны, поскольку создание гидростатического напора на равнинных реках приведет к неизбежному затоплению значительных территорий. Кроме того сооружение ГЭС сопряжено со значительными капитальными затратами и, соответственно, длительными сроками окупаемости. Вместе с тем, неиспользованных запасов гидроэнергии в ряде регионов планеты, в частности в Сибири, вполне достаточно, чтобы гидроресурсы рассматривать как традиционную альтернативу использованию органических невозобновляемых ресурсов.

Что касается запасов ядерного топлива, то по прогнозам специалистов его запасов хватит не менее чем на 1000 лет при условии интенсивного развития реакторов-размножителей. Запасы урана и тория, если их сравнивать с запасами угля, не столь уж и велики, однако на единицу веса они содержат в себе энергии в миллионы раз больше, чем уголь. Из 1 кг урана можно получить столько же теплоты, сколько при сжигании примерно 3000 тонн каменного угля. Некоторые ученые и экологи в конце 1990-х годов говорили о скором запрещении государствами Западной Европы атомных электростанций, но, исходя из современных анализов сырьевого рынка и потребностей общества в электроэнергии, эти утверждения выглядят неуместными.

Учитывая естественное истощение ископаемых топлив, все больше говорят о необходимости в 21-м веке начала нового этапа развития земной энергетики, характеризуемого «щадящим» использованием невозобновляемых энергоресурсов. При этом необходимо учитывать, что нефть и газ нужны не только энергетике, но и химии, и транспорту, и сельскому хозяйству. Несомненно, что в будущем параллельно с линией интенсивного развития энергетики получит развитие и линия экстенсивного развития, характеризующаяся рассредоточением по центрам потребления экологически чистых источников энергии не слишком большой мощности, но с высоким КПД, удобных и надежных в эксплуатации. Яркий пример тому – интенсивное развитие нетрадиционной энергетики, в частности электрохимической и водородной энергетики, солнечной и ветровой энергетики, геотермальной и малой гидроэнергетики и др. Более подробно вопросы нетрадиционной энергетики рассмотрены в главе 5 настоящего пособия.

Топливно-энергетические ресурсы считаются основой современной хозяйственной деятельности в любой стране. Вместе с тем эта является основным загрязнителем В особенности сильное негативное воздействие на окружающую среду оказывает и угля открытым способом.

Энергетические ресурсы России считаются лидирующей в стране. Передовые технологии при добыче и переработке углеводородного сырья применялись на всех этапах развития этой отрасли. В современных условиях без них обойтись невозможно. Это связано с высоким уровнем конкуренции, из-за чего приходится все время искать и более эффективные формы самих производственных процессов, и методы их регулирования.

Энергетические ресурсы относятся к сложной межотраслевой системе производства и добычи сырья, его транспортировки, применения и распределения.

От развития этой отрасли зависят технико-экономические величины, масштабы, динамика общественного производства, промышленности в первую очередь. В соответствии с требованиями по территориальной организации рассматриваемой сферы, приближенное положение к источникам сырья является основным критерием, по которому осуществляется становление отрасли. Эффективные энергетические ресурсы считаются основой для образования различных производственных комплексов, определяя специализацию их на энергоемких производствах. Основные потребители находятся на европейских территориях России. При этом порядка восьмидесяти процентов геологических запасов расположено в восточных районах. Это обусловливает дальность транспортировки, что, в свою очередь, влияет на себестоимость продукции.

Энергетические ресурсы наделены существенной районообразующей функцией. Так, поблизости от их источников идет развитие мощной инфраструктуры, которая благотворно сказывается на промышленности, развитии поселков и городов. Вместе с тем порядка девяноста процентов выбросов парникового газа, треть вредных соединений, попадающих в воду, приходится именно на эту производственную отрасль.

Для энергетического комплекса характерна развитая представленная в форме магистральных трубопроводов. Они предназначены для транспортировки нефтепродуктов.

Энергетические ресурсы тесно связаны со многими сферами народного хозяйства. Их добыча, распределение осуществляется с использованием продукции металлургии, машиностроения. На развитие топливно-энергетического комплекса расходуется около тридцати процентов финансовых средств. Отрасли этой сферы хозяйствования дают, в свою очередь, около 30% промышленной продукции.

С связано напрямую и благосостояние граждан страны. Развитие этой отрасли позволяет справиться с такими проблемами, как безработица, инфляция. На сегодняшний день в России в ней задействовано более двухсот предприятий, на которых работает более двух миллионов человек.