Генерация электроэнергии

Саяно-Шушенская ГЭС, самая крупная гидроэлектростанция России

Гидроэнергетика — отрасль производства электроэнергии от возобновляемого источника, использующая для производства электроэнергии кинетическую энергию водного потока. Предприятиями по производству энергии в этой области являются гидроэлектростанции (ГЭС), которые строят на реках.

При строительстве гидроэлектростанции с помощью плотин на реках искусственно создается перепад уровней водной поверхности (верхний и нижний бьеф). Вода под действием силы тяжести переливается из верхнего бьефа в нижний, специальными водоводами, в которых расположены водные турбины, лопасти которых раскручиваются водяным потоком. Турбина вращает соосный ротор электрогенератора.

Конструктивные особенности гидроэлектростанции: A   — водохранилище, B — машинный зал здания ГЭС, C   — гидравлическая турбина, D   — электрогенератор, E   — водоприемник, F   — напорный водовод, G   — линия электропередачи, H — русло реки

Особой разновидностью ГЭС является гидроаккумулирующие электрические станции (ГАЭС). Их нельзя считать генерирующими мощностями в чистом виде, так как они потребляют практически столько же электроэнергии, сколько вырабатывают, однако такие станции очень эффективно справляются с разгрузкой сети в пиковые часы.

Сургутская ГРЭС-2, самая крупная тепловая электростанция в России

Предприятиями тепловой электроэнергетики являются тепловые электростанции (ТЭС), на которых в электрическую энергию превращается тепловая энергия сгорания органического топлива. Тепловые электростанции бывают двух основных видов:

Конденсационные (КЭС, для которых в прошлом использовалась аббревиатура ГРЭС — государственная районная электростанция). Конденсационной называют тепловую электростанцию, которая предназначена исключительно для производства электрической энергии. На КЭС тепло, которое было получено при сжигании топлива, нагревает воду в парогенераторах, и образовавшийся перегретый водяной пар подается в паровую турбину, на одной оси с которой находится электрический генератор. В турбине внутренняя энергия пара превращается в механическую энергию, которая в электрическом генераторе создает электрический ток, подаваемый в электрическую сеть. Отработанный пар отводится в конденсатор. Оттуда сконденсировавшаяся вода перекачивается насосами обратно в парогенератор.

Теплофикационные (теплоэлектроцентрали, ТЭЦ). Теплофикационной называется тепловая электростанция, в которой часть тепловой энергии направляется на выработку электрической энергии, а часть поступает для обогрева окрестных жилых районов. Комбинированная выработка тепла и электрической энергии на ТЭЦ значительно повышает эффективность использования топлива по сравнению с раздельной выработкой электроэнергии на конденсационных электростанциях, а тепла для обогрева — в домашних котельных установках

Технологические схемы КЭС и ТЭЦ похожи. Принципиальное отличие ТЭЦ от КЭС состоит в том, что часть образовавшегося в котле пара идет на нужды теплоснабжения.

Балаковская АЭС, самая крупная ядерная электростанция России

В ядерной энергетике для производства энергии и тепла используется ядерная энергия. Предприятиями ядерной энергетики являются атомные электростанции (АЭС). Принцип выработки электроэнергии на АЭС то же, что и на ТЭС. Только в данном случае тепловая энергия выделяется не при сжигании органического топлива, а в результате ядерной реакции в ядерном реакторе. Дальнейшая схема производства электроэнергии ничем принципиально не отличается от ТЭС: парогенератор получает тепло от реактора и вырабатывает пар, тот поступает в паровую турбину и т. д. Из-за некоторых конструктивных особенностей АЭС их рентабельно использовать только для производства электричества, хотя отдельные эксперименты в области атомной теплофикации проводились.

Схема работы ядерной электростанции

Ветровые турбины обычно обеспечивают выработку электроэнергии в сочетании с другими методами производства электроэнергии.

К альтернативной электроэнергетике относятся способы генерирования электроэнергии, которые имеют ряд преимуществ по сравнению с «традиционными» (упомянутыми выше), но по разным причинам не получили широкого распространения. Основными видами альтернативной энергетики являются:

Ветроэнергетика — использование кинетической энергии ветра для получения электроэнергии. Интересно, что согласно закону Беца КПД ветряной турбины не может быть больше, чем 59,3 %

Солнечная энергетика (гелиоэнергетика) — получение электрической энергии из энергии солнечных лучей посредством фотоэлектрического эффекта. Солнечные батареи преобразуют солнечный свет непосредственно в электричество. Несмотря на то, что солнечный свет бесплатен и имеется в изобилии, крупномасштабное производство электроэнергии на солнечных электростанциях, обходится дороже, чем производство электроэнергии с помощью электрических генераторов. Это связано с высокой стоимостью солнечных батарей, которая, однако, постоянно снижается. В настоящее время коммерчески доступны батареи с КПД преобразования почти 30%. В экспериментальных системах была продемонстрирована эффективность более 40%[2]. До недавнего времени фотоэлектрические устройства чаще всего использовались на космических орбитальных станциях, в малонаселенных местах, где нет доступа к коммерческой электросети, или в качестве дополнительного источника электроэнергии для отдельных домов и предприятий. Последние достижения в области эффективности производства и фотоэлектрических технологий в сочетании с субсидиями, обусловленными экологическими проблемами, значительно ускорили развертывание солнечных панелей. Установленная мощность растет на 40% в год благодаря росту производства электроэнергии в Марокко[3], Германии, Китае, Японии и США. Общими недостатками ветро- и гелиоэнергетики является необходимость создания аккумулирующих мощностей для функционирования в ночное (для гелиоэнергетики) или безветренное (для ветроэнергетики) время.

Геотермальная энергетика — промышленное получение энергии, в частности электроэнергии, из горячих источников, термальных подземных вод. По сути, геотермальные станции являются обычными ТЭС, на которых источником тепла для нагрева пара вместо котла или ядерного реактора используются подземные источники тепла из недр Земли. Недостатком таких станций является географическая ограниченность их применения: геотермальные станции рентабельно строить только в регионах тектонической активности, то есть, там, где эти природные источники тепла являются самыми доступными.

Водородная энергетика — использование водорода в качестве энергетического топлива имеет большие перспективы: водород имеет очень высокий КПД сгорания, его ресурс практически не ограничен, сжигание водорода является абсолютно экологически чистым (продуктом сгорания в атмосфере кислорода является дистиллированная вода). Однако в полной мере удовлетворить потребности человечества водородная энергетика пока не может из-за дороговизны производства чистого водорода и технических проблем его транспортировки в больших количествах.

Стоит также отметить такие альтернативные виды гидроэнергетики: приливную и волновую энергетику. В этих случаях для производства электрической энергии используется естественная кинетическая энергия морских приливов и ветровых волн соответственно. Распространению этих видов электроэнергетики мешает необходимость совпадения очень многих факторов при проектировании электростанции: необходимо такое побережье, на котором приливы (и волнение моря соответственно) были бы достаточно сильными и устойчивыми.

Электрохимическая выработка энергии происходит в процессе прямого преобразования энергии химических связей в электричество, как, например, в батарее. Электрохимическое производство электроэнергии важно в портативных и мобильных приложениях. В настоящее время большая часть электрохимической энергии поступает от батарей[4]. Первичные элементы, такие как обычные цинк-углеродные батареи, действуют непосредственно в качестве источников энергии в то время, как вторичные элементы (аккумуляторные батареи) используются для хранения электроэнергии, а не для её выработки. Открытые электрохимические системы, известные как топливные элементы, могут использоваться для извлечения энергии из природного или синтетического топлива.

В местах, где много соленой и пресной воды возможно создание осмотических электростанций.