18 Общая энергетика

осень 2012

Лекции – 30 часов, лабораторные работы, кср, зачет.

Литература

1. Основы современной энергетики / Под ред. Аметистова Е. В. Т.1. Современная теплоэнергетика. М: МЭИ, 2008, 470 с.

2. Основы современной энергетики / Под ред. Аметистова Е. В. Т.2. Современная электроэнергетика. М: МЭИ, 2008, 631 с.

3. Быстрицкий Г. Ф. Основы энергетики. М.: ИНФРА-М, 2005, 277 с.

Введение

Потребление энергии является обязательным условием существования человечества.

История цивилизации – история изобретения все новых и новых методов преобразования энергии, освоения ее новых источников и, в итоге, увеличения энергопотребления.

За вторую половину ХХ столетия мировое потребление твердого топлива увеличилось в два раза, жидкого – в 8,5 раз, потребление природного газа увеличилось в 10 раз.

В современном мире энергетика является основой развития базовых отраслей промышленности, определяющих прогресс общественного производства. Во всех промышленно развитых странах темпы развития энергетики опережают темпы развития других отраслей.

Энергетика и электрогенерирующие станции

Под энергетикой понимают совокупность больших естественных и искусственных подсистем, служащих для преобразования, распределения и использования энергетических ресурсов всех видов.

Цель энергетики — обеспечение производства энергии путем преобра­зования первичной (природной) энергии (например, химической энергии, содержащейся в угле) во вторичную (например, электрическую или тепло­вую энергии). Производство энергии обычно проходит несколько стадий:

-- получение и концентрация энергетических ресурсов (например, добыча, переработка и обогащение ядерного топлива);

-- передача энергетических ресурсов к преобразующим установкам (например, доставка угля на ТЭС);

-- преобразование с помощью электростанций первичной энергии во вторичную (например, химической энергии органического топлива в электрическую и тепловую энергию);

-- передача вторичной энергии потребителям (рис. 1 – схема производства и передачи электроэнергии потребителю).

Под электроэнергетикой обычно понимают подсистему энергетики, охватывающую производство электроэнергии на электростанциях и ее доставку потребителям по линиям электропередачи. Ключевым элемен­том электроэнергетики является электростанция — преобразователь какой-либо первичной энергии в электрическую. Электрическая энергия считается основой современной цивилизации. Без нее невозможна нормальная жизнь современного общества.

Основные отличительные свойства электроэнергии: может быть легко передана на большие расстояния и с малыми потерями преобразовываться в другие виды энергии (механическую – электродвигатель, световую –лампочки, тепловую – утюг и т. д.).

Электростанции при­нято классифицировать по виду используемой первичной энергии и виду применяемых преобразователей. Такая классификация представлена на рис. 2. Как и всякая классификация, она является условной.

Э лектроэнергетику принято делить на традиционную и нетради­ционную.

Традиционная электроэнергетика основана на использовании энергии органических топлив (теплоэнерге­тика), энергии воды (гидроэнерге­тика) и ядерного горючего (атомная энергетика). Характерные черты тра­диционной электроэнергетики — хорошая освоенность на основе дли­тельной проверки в условиях экс­плуатации (самой «молодой» атомной энергетике всего 50 лет). Основную долю электроэнергии в мире и России получают на базе традиционных элек­тростанций, единичная мощность установок которых часто превышает 1000 МВт. Самыми «молодыми» в традиционной энергетике являются парогазовые установки (ПГУ), «воз­раст» которых чуть больше 20 лет.

Нетрадиционная электроэнерге­тика в своем большинстве также основана на традиционных принци­пах, но первичной энергией в них служат либо источники местного значения (ветровые, геотермальные, солнечные электростанции, малые гидроэлектростанции, биоэнергети­ческие установки и др.), либо источ­ники, находящиеся в стадии освоения (например, топливные элементы), либо источники будущего (термо­ядерная энергетика). Характерными признаками нетрадиционной энерге­тики являются их экологическая чис­тота, существенно большие удель­ные затраты на строительство (достаточно сказать, что для солнеч­ной ТЭС мощностью 1000 МВт тре­буется собирать солнечную энергию с площади 2x2 км) и малая единич­ная мощность.

Традиционную и нетрадиционную электроэнергетику не следует срав­нивать и противопоставлять друг другу, как это часто делается в средст­вах массовой информации. Для каждой из них имеется свое место.

В традиционной энергетике в мировом масштабе в 2000 г. преобладала теплоэнергетика: на базе нефти вырабатывалось 39 % электроэнергии, угля – 27 %, газа — 24 %, т.е. 90 % электроэнергии. На АЭС вырабаты­валось 7 %, а на ГЭС — всего 3 %. Однако при этом надо иметь в виду существенные региональные отличия, вызванные в первую очередь нали­чием соответствующих ресурсов. Например, энергетика таких стран, как Польша, ЮАР, практически целиком основана на использовании угля, а Нидерландов — газа. Очень велика доля теплоэнергетики в Китае, Авст­ралии, Мексике.

В ряде стран преобладают ГЭС. В Норвегии и Бразилии вся выработка электроэнергии происходит на ГЭС. Можно привести список из несколь­ких десятков стран, где доля выработки ГЭС превышает 70 %.

По доле АЭС в выработке электроэнергии первенствует Литва и Фран­ция (около 80 %). Преобладает она в Бельгии, Республике Корея и неко­торых других странах.

Далее речь будет идти в основном о традиционной теплоэнергетике, а точнее – об ее источниках, оборудовании и проблемах, связанных с ее функционированием.

Состояние энергетики в мире и в России.

В мире продолжается экстенсивное ведение энергетического хозяйства. Традиционная энергетика базируется на сжигании углеводородного сырья.

Россия живет за счет поставок органического топлива (угля, нефти, газа) в Европу (90 % экспорта – в государства Европы).

Замечено, что самой большой опасностью является та, которую не замеча­ем. Наше общество за бурными политическими событиями, полемикой о нало­гах и пенсиях, приватизацией и банкротствами, экономическом кризисе каза­лось, забыло о том, что составляет основу всего того, что оно так остро пережи­вает и столь живо обсуждает - о национальной энергетике.

Весь цивилизованный мир вопросами энергоэффективности и внедрению энергетики ВИЗ уделяет первостепенное внимание. Так:

• в США программа повышения энергоэффективности в экономике нахо­дится под личным контролем Президента страны;

• в Чехии государство выделяет безвозмездно до 2000 $ на каждую квар­тиру для принятия мер по снижению энергопотребления;

• в большинстве стран Европы владельцы генерирующих установок мощ­ностью до 1000 кВт и освобождаются от налога на доход сроком на 5 лет.

Нет нужды приводить подобные примеры дальше - их великое множест­во. Понятно одно - во всех развитых странах принимаются конкретные меры по повышению энергоэффективности. Энергосбережение возведено в ранг госу­дарственной политики.

В энергетике существуют четыре главные цели:

• обеспечение надежной энергетической базы для устойчивого экономи­ческого роста;

• поддержание стабильного энергообеспечения, гарантирующего энерге­тическую безопасность каждого региона;

• удовлетворение потребностей населения в энергетических услугах по ценам, исключающим массовое недовольство и социальные взрывы;

• сохранение здоровой окружающей среды.

Кратко эти цели сводятся к надежности, экономичности и экологичности.

Важнейшим компонентом энергетической безопасности региона является энергетическая независимость – способность обойтись при потере или сниже­нии внешних поставок энергии собственными ресурсами.

Существующие в настоящее время варианты прогнозов развития энер­гети­ки планеты на период до середины XXI в. и более отдаленное время сви­де­тельствуют, что рост энергетики будет происходить в любом случае, не­смотря на призывы к его ограничению, причем по экспоненциальному закону. Этот процесс определяется демографическими факторами и по­вышением уровня цивилизации. Дальние прогнозы показывают, что развитие энергетики будет ограничено рядом энергетических и экологических факто­ров. Движение впе­ред сможет быть обеспечено поиском новых способов и источников получения энергии, повышения эффективности использования всех видов энергии, разви­тием энерго- и ресурсосберегающих технологий.

Кроме потерь энергии в процессе её производства и доставки потребите­лю во всем мире существуют потери, связанные с хранением стратегических запасов топлив.

Так для решения краткосрочной энергетической безопасности развитые зарубежные страны в последние два-три десятилетия создали на своих терри­ториях как минимум 90-суточные стратегические запасы сырой нефти. Раз­мещаются они в подземных хранилищах.

США стратегический запас нефти начали создавать после потрясений ми­рового нефтяного рынка в 1970-е годы и к настоящему времени довели его до 80 млн т. Это примерно 20 % годового потребления нефти страны. И стратеги­ческий нефтяной запас, и 62 подземных резервуара, в каменной соли, в кото­рых он хранится, являются федеральной собственностью США.

В Саудовской Аравии предполагают создать стратегические запасы в объ­еме 12 млн баррелей, состоящих из хранилищ бензина, дизельного и авиаци­онного топлива. Хранилища будут представлять собой защищенные подземные емкости на глубине 200 м с системой тоннелей, коммуникаций и жизнеобеспе­чения. Общая стоимость проекта оценивается в 3 млрд $.

В 2008 г. Китай и Индия заявили о планах создания стратегических запасов нефти.

В России стратегического запаса нефти нет вовсе. Незначительные храни­лища аварийного запаса моторных топлив (в основном оборонного назначе­ния), сооруженные в 60-70 гг. XX в., почти все оказались за пределами нынеш­ней её территории. В этих условиях создание стратегического запаса нефти для современной России представляется насущной необходимостью и одной из важнейших предпосылок экономической независимости и безопасности в на­ступающем столетии.

Между тем Природа одарила Россию частью крупнейшего в мире Прикас­пийского соляно-купольного бассейна (на глубинах от 300 до 1000 м в виде со­ляных куполов мощностью более 1000 м) на территории Астраханской области -важнейшего геополитического региона, интенсивного развития нефтегазодо­бычи и нефтегазопереработки, перекрестка транспортных коммуникаций юга России. Благоприятные геологические условия большинства из более 50 распо­ложенных здесь солянокупольных структур и поднятий позволяют соорудить ме­тодом подземного растворения не менее 250 подземных хранилищ, аналогич­ных по технологии сооружения и эксплуатации, подземным хранилищам США.

В процессе разработки полостей подземных резервуаров реально осуще­ствилась бы промышленное крупномасштабное производство сотен миллионов тонн технической, кормовой и пищевой соли, реальный дефицит которой в Рос­сии в последние годы вынуждает импортировать ее из Белоруссии и Украины.

Имеют место большие затраты на перевозку топлива, что приводит к значительному удорожанию электроэнергии.

На 100 км территории РФ и США приходится соответственно 3,15 и 53 км автодорог.

По данным Дорожного департамента РФ, на 0,53 млн км автодорог имеет­ся 38675 мостов, в США на 5 млн км дорог - 575000 мостов или соответственно 0,23 и 6,1 моста на 100 км² территории.

Энергоснабжение труднодоступных регионов дорого еще и потому, что потери топлива начинаются уже при его транспортировке (при заправке авто­цистерны бензином открытой струей, его потери на 1 м³ составляют 0,3-0,4 %) Перевозка топлива в бочках увеличивает его потери в 10 раз по сравнению с потерями при перевозке в автоцистернах. Велики потери бензина и при хране­нии его в резервуарах. За год даже при исправном клапане при температуре +10°С из резервуара емкостью 50 м³ испаряется до 0,4 т бензина, а при темпе­ратуре +20°С эти потери возрастают в 5 раз. Если топливный резервуар не обеспечен клапаном, то только за летний период испаряется до 4,5 т бензина. При хранении бензина происходят не только количественные потери, но и ка­чественные, так как улетучиваются наиболее легкие фракции. Это приводит к ухудшению пуска двигателя при температуре минус 10-15°С. При хранении ди­зельного топлива количественные потери незначительны, так как дизтопливо испаряется примерно в 10 раз медленнее, чем бензин. Однако при длительном хранении дизтоплива, особенно в жаркое время года, происходит окисление нестойких продуктов термической переработки нефти, вследствие чего обра­зуются органические кислоты и смолисто-асфальтовые вещества. Топливо при­обретает желтую и даже светло-коричневую окраску. Значительное наличие смолистых веществ снижает моторесурс дизельного двигателя до 40 %, увели­чивает коррозию и нагарообразование.

Влияние на экологию

Известно, что основу макроэкономики образуют два фундаментальных факта: а) материальные потребности людей и всего человеческого общества безграничны и неутолимы; б) материальные ресурсы - средства удовлетво­рения потребностей - ограничены и редки. Эти факты лежат в основе эконо­мического критерия оптимальности - максимально возможное удовлетворе­ние потребностей при ограниченности ресурсов.

Преобладающая часть экономического роста, относимая к одному челове­ку, почти полностью обусловлена нарастанием использования биологических ресурсов и источников вторичных средств потребления. Это связано с огром­ным расширением эксплуатации недр и с технической энергетикой. Техносфера разрослась именно на этой основе. Отсюда возникло впечатления независимо­сти экономики от ресурсов биосферы. Действительно, совокупность отраслей, обеспечивающих первичные потребности людей, - сельское хозяйство, пище­вая, легкая промышленность и коммунальное хозяйство - в большинстве раз­витых стран образуют относительно небольшой сектор экономики, а во всем мире в целом — 32 % по суммарному вкладу в валовой мировой продукт.

Однако самые важные потребности человека - пища, кислород, одежда, в известной части вода и жилище - как и тысячи лет тому назад, удовлетворяют­ся в основном продуктами живой Природы. То, что теперь многие из этих про­дуктов мы получаем не из лесов и степей, а с полей и ферм, отражает не столь­ко уменьшение зависимости от естественных биологических процессов, сколь­ко перераспределение человеческого труда. Сельское хозяйство, лесоперера-ботка, рыболовство, легкая, пищевая и микробиологическая промышленность базируются на биологических ресурсах экосферы. Нефть, газ и уголь, некоторые руды, природная почва, значительная часть строительных материалов - это то­же продукты экологических процессов, происходивших в геологическом про­шлом Земли.

Энергетика – один из источников неблагоприятного воздействия на окружающую среду и человека.

Влияние энергетики на экологию:

– атмосферу: потребление кислорода, выбросы газов, влаги и твердых частиц;

– гидросферу: потребление воды, создание искусственных водохранилищ, сбросы загрязненных и нагретых вод, жидких отходов;

– биосферу: выбросы токсичных веществ;

– литосферу: потребление ископаемых топлив, изменение ландшафта.

В год на Земле сжигается более 7 млрд тонн органических топлив, на что тратится более 20 млрд тонн атмосферного кислорода, что превышает все естественные источники кислорода в биосфере. Человеку в сутки необходимо столько кислорода, сколько выделяет дерево с поверхностью кроны в 25 кв м. Однако под влиянием загазованности воздуха энергия фотосинтеза снижается в десятки раз. Подсчитано, что при сохранении темпов роста производства в начале ХХI века на промышленные нужды будет тратиться 95 % кислорода, выделяемого растениями. Ежегодно количество углекислого газа в атмосфере увеличивается на 0,2 %.

При транспортировке и на нефтепромыслах теряется 28 % сырой нефти.

Ежегодно от исправно работающих АЭС в биосферу поступает столько же радиоактивных веществ, сколько было выброшено при чернобыльской аварии.

Мощные электростанции вместе со своими электрическими сетями наносят колоссальный ущерб своими электромагнитными полями всему человечеству. По данным ВОЗ среди недугов лидируют онкологические, сердечнососудистые и ревматические заболевания. Кривая заболеваемости растет вверх. Это связано с воздействием техногенных факторов, в т.ч. электромагнитным влиянием. По оценкам ученых за 120 лет электромагнитный фон Земли увеличился в 100 млн раз.

Коэффициент антропогенного давления и доля (%) сохранившихся тер­риторий

Страны	Коэффициент антропогенного давления	Доля ненарушенных территорий
Нидерланды ФРГ	42 19	0 0
Япония	16	0
США Индия	3,4 1,0	4 1
Китай	1,1	20
Россия* Бразилия Канада	0,7 0,5 0,4	45 68 64
Австралия	0,2	71
Мир	1	39

*Оценка доли ненарушенных территорий для России явно завышена, но она взята из официальных докладов Министерства природных ресурсов.

Доля ненарушенных территорий значительно уменьшается, а коэффициент антропогенного давления (таблица) значительно возрастает, если в расчет принять, что непомерно мощные ГЭС, ТЭЦ, ТЭС вместе со своими электриче­скими сетями наносят колоссальный ущерб своими электромагнитными по­лями (ЭМП) всему человечеству.

По данным Всемирной Организации Здравоохранения среди социально значимых традиционных недугов постоянно лидируют онкологические, сердеч­нососудистые и ревматические заболевания. Кривая заболеваемости неумоли­мо идет вверх. Связано это в немалой степени с усилением действия на людей техногенных факторов - ЭМП. Исследования в этой области показывают, что че­ловек, особенно в городских условиях, подвергается неблагоприятному воздей­ствию со стороны разного рода физических факторов как естественного (геопато­генные зоны), так и искусственного происхождения (технопатогенные зоны).

По оценкам ученых электромагнитный фон земли за 120 лет увеличился более чем в 100 млн (!) раз. Мы не заметили, как изменяется среда нашего обитания. Не имея вкуса, цвета, запаха, электромагнитные поля значительно влияют на все живое.

Электромагнитные поля могут быть рассмотрены с двух позиций: биологической вредности и социальной полезности. Биологическая вредность – это уровень электромагнитного фона, который определяется как безвредный или приемлемый для различных групп населения. Понятие полезности несет социальный смысл, т. к. при этом должна быть оценена экономическая выгода с учетом возможности нанесения вреда человеку. Животные и люди способны ощущать колебания интенсивности геомагнитного поля Земли и естественного радиофона. Если ограничить величину ЭМП естественным радиофоном Земли, то придется отказаться от радиолокации, компьютеров, ЛЭП, сотовой связи и др.

В связи с этим возникает вопрос: насколько высок и насколько оправдан риск при пользовании этими благами. На стадиях детства и репродукции жизни человека должно осуществляться жесткое нормирование индивидуального электромагнитного риска жизни. На стадиях социальной активности индивидуальный техногенный риск выбирается им добровольно – в этом есть элемент свободы человека.

Наиболее чувствительны к воздействию ЭМП нервная, иммунная и эндокринная системы (гигагерцовый диапазон).

Влияние энергетики на биосферу (все живое):

к настоящему времени леса на Земле уничтожены уже на 38 % площади. Половина из них – за последние 150 лет. В развитых странах умеренных широт (США, Западная Европа) остались практически только вторичные леса. В целом в мире глобальное сокращение лесов в 18 раз опережает их восстановление.

Выбросы от электростанций составляют 1\3 всех выбросов парниковых газов в атмосферу. При сгорании органического топлива в атмосферу с дымовыми выбросами поступают радиоактивные элементы и продукты их распада. Выброс угольной ТЭЦ в 5-40 раз больше, чем АЭС равной мощности, даже если принять коэффициент очистки выбросов золы ТЭЦ равным 0,975.

"Ни один живой вид не может существовать в среде, состоящей из своих отбросов" (Вернадский В. И.). Человечество производит отбросы органического происхождения в две тысячи раз интенсивнее, чем вся остальная биосфера. "Человек может иметь будущее лишь в том случае, если примет на себя ответственность не только за развитие общества, но и биосферы в целом".