3. Структура потребления энергии в промышленности и быту.

Топливно-энергетический комплекс (ТЭК) - это часть народно­го хозяйства, включающая всю совокупность предприятий, устано­вок и сооружений, а также связывающих их хозяйственных отно­шений, которая обеспечивает добычу природных энергоресурсов и функционирование всей цепочки их преобразования до конечных установок потребителей энергии. В составе ТЭК разли­чают четыре основные части (подсистемы):

1. топливодобычу и топливоснабжение, т.е. добычу первич­ных источников энергии (уголь, нефть, газ, дрова, торф, уран и др.), их переработку (сортировку, очистку, обогащение, сепарацию и др.) и доставку топлива на перерабатывающие предприятия или потребителю;

2. преобразование и генерирование энергии, т.е. получение тепловой, электрической, механической и другой энергии из пер­вичных или переработанных энергоресурсов;

3. транспорт энергии, т.е. распределение и передачу преобра­зованной энергии к потребителям (по линиям электропередачи, нефте- и газопроводам, речными и морскими судами и др.);

4) потребление энергии в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве, в обогревающих и отопительных устройствах, в быту и т.д.

ТЭК страны имеет многочисленные функциональные связи со смежными отраслями народного хозяйства.

В зависимости от стадии преобразования энергии в ТЭК приня­то различать первичную энергию, подведенную и конечную. Ино­гда две последних называют вторичной энергией. Первичная энер­гия - энергетические ресурсы, извлекаемые из окружающей среды: все виды топлива (включая ядерное), механическая энергия воды (рек, приливов) и ветра, энергия Солнца, тепло недр Земли и океан­ской воды и др. Подведенная энергия - энергоносители, получае­мые потребителями: жидкое, газообразное и твердое топливо; элек­троэнергия; пар и горячая вода; носители механической энергии. Конечная энергия - форма энергии, непосредственно применяемая в производственных, транспортных или бытовых целях: электрон­ная, механическая, световая, тепловая, химическая, звуковая и т.п.

В структуре ТЭК важное место для жизнеобеспечения людей занимают электроэнергетика, централизованное теплоснабже­ние и теплофикация [1.6], [1.12]. Электроэнергетика - часть ТЭК, обеспечивающая производство и распределение электроэнергии и тепла. Электроэнергия производится на тепловых (ТЭС), атомных (АЭС) и гидроэлектростанциях (ГЭС), а также на ветряных, при­ливных и иных электростанциях. Централизованное теплоснабже­ние - часть ТЭК, обеспечивающая производство и распределение пара и горячей воды от источников общего пользования (котель­ные, бойлерные и др.). Теплофикация - часть электроэнергетики и централизованного теплоснабжения, обеспечивающая комбиниро­ванное производство электроэнергии, пара и горячей воды на теп­лоэлектроцентралях (ТЭЦ) и магистральный транспорт тепла. Ха­рактерные значения КПД для энергоустановок составляют: 90 - 97 % для ГЭС, 50 - 75 % для ТЭЦ (с учетом утилизации тепла), 33 - 42 % для ТЭС и 28 - 33 % для АЭС (см. табл. 1.3).

Главной особенностью производства тепловой и электрической энергии является невозможность накапливать их в значительных количествах, так как нет рентабельных крупных аккумуляторов тепла и электричества. Невозможность «работы на склад» порож­дает жесткую связь производства и потребления энергии во време­ни (суточные и сезонные графики потребления). В каждый момент времени электростанция должна производить столько электроэнер­гии, сколько ее потребляется в тот же момент времени. В связи с непрерывным изменением потребления энергии для каждой элек­тростанции устанавливается график нагрузки, т.е. график (диа­грамма) изменения мощности во времени (рис. 1.5). Обычно разли­чают четыре типа суточного графика нагрузки - для нормального рабочего дня, субботы, воскресенья и понедельника. Суточный график нагрузки чаще всего имеет два пика - утренний и вечерний, и два провала - дневной и ночной. Нижнюю часть графика нагруз­ки принято называть базовой нагрузкой, а верхнюю - пиковой. Недельная неравномерность связана с уменьшением нагрузки с пятницы до воскресенья и с резким повышением к понедельнику. Существует также сезонная неравномерность нагрузки, обуслов­ленная климатическими условиями в стране.

Гидро- и атомные электростанции работают только в базовом режиме. Пиковые суточные нагрузки в энергосистеме покрывают специальные установки, как правило, с газовым топливом.

Важнейшее значение при планировании, организации и управ­лении ТЭКом имеют топливно-энергетические балансы, в которых отражается качественное и количественное согласование производ­ства и потребления всех видов топлива и энергии в стране или от­дельном регионе.

4. Динамика потребления энергии.

За последние 150 лет годовое энергопотребление в мире вырос­ло почти в 30 раз (табл. 1.6 и рис. 1.6) с ежегодным приростом око­ло 3 %, достигнув 15 ТВтгод в 2005 г., а энерговооруженность человека выросла за это время в 5 раз. Большой интерес представ­ляет сравнение роста населения с ростом потребления энергии как главного ресурса. Обработка исторических данных показывает (см. табл. 1.6), что суммарное потребление энергии Е за год пропорцио­нально квадрату численности N населения Земли: Е ~ N², а энерго­вооруженность человека w пропорциональна первой степени N:

В 1990 г. потребляемая в мире энергия составляла 13,2 ТВтгод или в среднем 2,5 кВт на одного человека. Если квадратичная зави­симость потребления энергии от численности населения сохранит­ся, то к 2100 г. население мира может возрасти до 12 млрд чел., т.е. в 10 раз по сравнению с 1850 г., а потребление энергии - в 100 раз, т.е. до 6 ТВттод.

Рост потребления энергии человечеством обусловлен одновре­менным действием трех факторов: 1) увеличением численности населения, 2) повышением эффективности использования освоен­ных энергоресурсов (развитие технологий) и 3) освоением более калорийных и технологичных видов топлива.

В России с 1913 г. добыча угля возросла в 80 раз, добыча неф­ти - в 270 раз, добыча газа - более чем в 30 тысяч раз

Преимущества полулогарифмических координат очевидны: в широком диапазоне графики почти линейны, что свидетельствует о почти экспоненциальном росте добычи топлива на начальных эта­пах развития. Затем наступает стагнация или даже уменьшение добычи. Весь исторический отрезок времени в 80 лет можно раз­бить на три характерных периода: период угля - до 1965 г., период нефти - 1965 - 1985 гг., период газа - с 1985 г. по настоящее время. Иначе говоря, с начала 60-х годов начался процесс вытеснения угля нефтью, а с начала 80-х - газом. Этому способствовало соответст­венно открытие и освоение крупнейших в мире Самотлорского месторождения нефти (1965)

Высокие затраты топлива и энергии на энергообеспечение Рос­сии и ее производительных сил, несмотря на более низкие цены энергоносителей в стране по сравнению с мировым рынком, ло­жатся тяжелым грузом на экономику страны и снижают конкурен­тоспособность ее производственного потенциала. Удельная энерго­емкость экономики России (затраты энергии на единицу ВВП), сформировавшаяся в советский период, была в 5 раз выше, чем в Японии, в 3 - 4 раза выше, чем в европейских странах (табл. 1.8). Если не будет обеспечено повышение энергоэффективности и сни­жение энергоемкости экономики, то Россия в скором времени мо­жет столкнуться с жесткими энергетическими ограничениями сво­его социально-экономического развития.