Энергетика

Характерной чертой традиционной электроэнергетики является её давняя и хорошая освоенность, она прошла длительную проверку в разнообразных условиях эксплуатации.

Основную долю электроэнергии во всём мире получают именно на традиционных электростанциях, их единичная[6] электрическая мощность очень часто превышает 1000 Мвт. Традиционная электроэнергетика делится на несколько направлений[7].

В этой отрасли производство электроэнергии производится на тепловых электростанциях (ТЭС), использующих для этого химическую энергию органического топлива. Они делятся на:

• Паротурбинные электростанции, на которых энергия преобразуется с помощью паротурбинной установки;
• Газотурбинные электростанции, на которых энергия преобразуется с помощью газотурбинной установки;
• Парогазовые электростанции, на которых энергия преобразуется с помощью парогазовой установки[8].

Теплоэнергетика в мировом масштабе преобладает среди традиционных видов, на базе угля вырабатывается 46 % всей электроэнергии мира, на базе газа — 18 %, ещё около 3 % — за счет сжигания биомасс, нефть используется для 0,2 %. Суммарно тепловые станции обеспечивают около 2/3 от общей выработки всех электростанций мира[9][10]

На 2013 год, средний КПД тепловых электростанций был равен 34 %, при этом наиболее эффективные угольные электростанции имели КПД в 46 %, а наиболее эффективные газовые электростанции — 61 %[11].

Энергетика таких стран мира, как Польша и ЮАР практически полностью основана на использовании угля, а Нидерландов — газа. Очень велика доля теплоэнергетики в Китае, Австралии, Мексике.

Крупная канадская ГЭС «Сэр Адам Бек» на Ниагарском водопаде.

В этой отрасли электроэнергия производится на гидроэлектростанциях (ГЭС), использующих для этого энергию водного потока.

ГЭС преобладает в ряде стран — в Норвегии и Бразилии вся выработка электроэнергии происходит на них. Список стран, в которых доля выработки ГЭС превышает 70 %, включает несколько десятков.

Балаковская АЭС ночью.

Отрасль, в которой электроэнергия производится на атомных электростанциях (АЭС), использующих для этого энергию управляемой цепной ядерной реакции деления, чаще всего урана и плутония.

По доле АЭС в выработке электроэнергии первенствует Франция[12], около 70 %. Преобладает она также в Бельгии, Республике Корея и некоторых других странах. Мировыми лидерами по производству электроэнергии на АЭС являются США, Франция и Япония[13][14].

Ветряные турбины в Германии

Большинство направлений альтернативной энергетики основаны на вполне традиционных принципах, но первичной энергией в них служат либо источники локального значения, например ветряные, геотермальные, либо источники находящиеся в стадии освоения, например топливные элементы или источники, которые могут найти применение в перспективе, например термоядерная энергетика. Характерными чертами альтернативной энергетики является её экологическая чистота, чрезвычайно большие затраты на капитальное строительство (например для солнечной электростанции мощностью 1000 МВт требуется покрыть весьма дорогостоящими зеркалами площадь около 4-х км²) и малая единичная мощность[1].

Направления альтернативной энергетики[7]:

• Ветроэнергетика
• Солнечная энергетика
• Малые гидроэлектростанции
• Геотермальная энергетика
• Биоэнергетика
• Установки на топливных элементах
• Водородная энергетика
• Термоядерная энергетика.

Также можно выделить важное из-за своей массовости понятие — малая энергетика, этот термин не является в настоящее время общепринятым, наряду с ним употребляются термины локальная энергетика, распределённая энергетика, автономная энергетика и др[15]. Чаще всего так называют электростанции мощностью до 30 МВт с агрегатами единичной мощностью до 10 МВт. К ним можно отнести как экологичные виды энергетики, перечисленные выше, так и малые электростанции на органическом топливе, такие как дизельные электростанции (среди малых электростанций их подавляющее большинство, например в России — примерно 96 %[16]), газопоршневые электростанции, газотурбинные установки малой мощности на дизельном и газовом топливе[17].

Согласно данным BP, в 2019 году доля альтернативных возобновляемых источников энергии (без ГЭС) составила 10,8 % в мировой генерации электричества, впервые обойдя атомную энергию по этому показателю[5]. В 2019 году общая установленная мощность всей ветроэнергетики мира составила 651 ГВт.[18] В 2019 году количество электрической энергии, произведённой всеми ветрогенераторами мира, составило 1430 тераватт-часов (5,3 % всей произведённой человечеством электрической энергии).[19][18] В 2019 году общая установленная мощность всех работающих солнечных панелей на Земле составила 635 ГВт.[20] В 2019 году всего работающие солнечные панели на Земле произвели 2,7 % мировой электроэнергии.[21]

По состоянию на 2020 год суммарная мировая установленная мощность возобновляемой энергии (включая гидроэнергетику) — 2838 ГВт[22] (гидроэнергетика обеспечивает производство до 41 % возобновляемой и до 16,8 % всей электроэнергии в мире, установленная гидроэнергетическая мощность достигает 1170 ГВт)[22], а суммарная мировая установленная мощность возобновляемой энергии (без гидроэнергетики) — 1668 ГВт. На 2020 год суммарная мировая установленная мощность солнечной энергетики достигает 760 ГВт.[22].
Суммарная мировая установленная мощность ветроэнергетики (на 2020 год) достигает 743 ГВт, что эквивалентно годовым выбросам углерода в во всей Южной Америке или более 1,1 миллиарда тонн C02 в год.[23][22]. Суммарная мировая установленная мощность биоэнергетики (на 2020 год) достигает 145 ГВт.[22]; суммарная мировая установленная мощность геотермальной энергетики — 14,1 ГВт[22].

Электрическая подстанция в Багдаде, Ирак.

Электрическая сеть — совокупность подстанций, распределительных устройств и соединяющих их линий электропередачи, предназначенная для передачи и распределения электрической энергии[24]. Электрическая сеть обеспечивает выдачу мощности электростанций, её передачи на расстояние, преобразование электрических параметров (напряжения, тока) на подстанциях и её распределение по территории до непосредственных потребителей электроэнергии.

Электрические сети современных энергосистем являются многоступенчатыми, то есть электроэнергия претерпевает большое количество преобразований на пути от источников электроэнергии к её потребителям. Также для современных электрических сетей характерна многорежимность, — это разнообразие загрузки элементов сети в течение суток и в течение года, а также разнообразие режимов, возникающих при выводе различных элементов сети в плановый ремонт и при их аварийных отключениях. Эти и другие характерные черты современных электросетей делают их структуры и конфигурации весьма сложными и различными[25].

Новосибирская ТЭЦ-5.

Характерной чертой централизованного теплоснабжения является наличие разветвлённой тепловой сети, от которой питаются многочисленные потребители (заводы, здания, жилые помещения и пр.). Для централизованного теплоснабжения используются два вида источников:

• Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ);
• Котельные, которые делятся на:
  • Водогрейные;
  • Паровые.

Систему теплоснабжения называют децентрализованной, если источник теплоты и теплоприёмник практически совмещены, то есть тепловая сеть или очень маленькая, или отсутствует. Такое теплоснабжение может быть индивидуальным, когда в каждом помещении используются отдельные отопительные приборы, например электрические, или местным, например обогрев здания с помощью собственной малой котельной. Обычно теплопроизводительность таких котельных не превышает 1 Гкал/ч (1,163 МВт). Мощность тепловых источников индивидуального теплоснабжения обычно совсем невелика и определяется потребностями их владельцев. Виды децентрализованного отопления:

• Малые котельные;
• Электрическое, которое делится на:
  • Прямое;
  • Аккумуляционное;
  • Теплонасосное;
• Печное.

Тепловая сеть — это сложное инженерно-строительное сооружение, служащее для транспорта тепла с помощью теплоносителя, воды или пара, от источника, ТЭЦ или котельной, к тепловым потребителям.

От коллекторов прямой сетевой воды с помощью магистральных теплопроводов горячая вода подаётся в населённые пункты. Магистральные теплопроводы имеют ответвления, к которым присоединяется разводка к тепловым пунктам, в которых находится теплообменное оборудование с регуляторами, обеспечивающими снабжение потребителей тепла и горячей воды. Тепловые магистрали соседних ТЭЦ и котельных для повышения надёжности теплоснабжения соединяют перемычками с запорной арматурой, которые позволяют обеспечить бесперебойное теплоснабжение даже при авариях и ремонтах отдельных участков тепловых сетей и источников теплоснабжения. Таким образом, тепловая сеть любого города является сложным комплексом теплопроводов, источников тепла и его потребителей[1].

В зависимости от агрегатного состояния органическое топливо делится на газообразное, жидкое и твёрдое, каждое из них в свою очередь делится на естественное и искусственное. Доля такового топлива в мировом энергобалансе составляла в 2000 году около 65 %, из которых 39 % приходились на уголь, 16 % на природный газ, 9 % на жидкое топливо(2000 г.). В 2010 году по данным BP доля ископаемого органического топлива 87 %, в том числе: нефть 33,6 %, уголь 29,6 % газ 23,8 %[28].Tо же по данным «Renewable21» 80,6 %, не считая традиционной биомассы 8,5 %[29].

Естественным топливом является природный газ, искусственным:

• Генераторный газ;
• Коксовый газ;
• Доменный газ;
• Продукты перегонки нефти;
• Газ подземной газификации;
• Биогаз;
• Синтез-газ.

Естественным топливом является нефть, искусственным называют продукты его перегонки:

• Бензин;
• Керосин;
• Соляровое масло;
• Мазут.

Естественным топливом являются:

• Ископаемое топливо:
  • Торф;
  • Бурый уголь;
  • Каменный уголь;
  • Антрацит;
  • Горючий сланец;
• Растительное топливо:
  • Дрова;
  • Древесные отходы;
  • Топливные брикеты;
  • Топливные гранулы.

Искусственным твёрдым топливом являются:

• Древесный уголь;
• Кокс и полукокс;
• Углебрикеты;
• Отходы углеобогащения[1][14].

В использовании ядерного топлива вместо органического состоит главное и принципиальное отличие АЭС от ТЭС. Ядерное топливо получают из природного урана, который добывают:

• В шахтах (Франция, Нигер, ЮАР);
• В открытых карьерах (Австралия, Намибия);
• Способом подземного выщелачивания (Казахстан, США, Канада, Россия).

Для использования на АЭС требуется обогащение урана, поэтому его после добычи отправляют на обогатительный завод, после переработки на котором 90 % побочного обеднённого урана направляется на хранение, а 10 % обогащается до нескольких процентов (3—5 % для энергетических реакторов). Обогащённый диоксид урана направляется на специальный завод, где из него изготавливают цилиндрические таблетки[30], которые помещают в герметичные циркониевые трубки длиной почти 4 м, ТВЭЛы (тепловыделяющие элементы). По нескольку сотен ТВЭЛов для удобства использования объединяют в ТВС, тепловыделяющие сборки[1][31].