3.5.2. Основные типы электростанций и их характеристики

В России для выработки электроэнергии используется примерно 1/3 энергоресурсов, добываемых в стране для внутреннего потребления.

Предприятие, производящее электроэнергию или одновременно электроэнергию и тепло, называется электрической станцией.

В настоящее время электроэнергию вырабатывают электростанции следующих типов:

• ТЭС – тепловая электрическая станция, преобразующая тепловую энергию в электрическую;

• ГЭС – гидроэлектростанция, преобразующая энергию движения воды в электрическую;

• ГАЭС – гидроаккумулирующая электростанция, преобразующая механическую энергию движения воды, накопленную в искусственном водоеме, в электрическую;

• АЭС – атомная электростанция, преобразующая атомную энергию ядерного топлива в электроэнергию;

• ДЭС – дизельная электростанция, преобразующая энергию жидкого топлива дизельного двигателя в электрическую;

• ГТЭС – геотермальная электростанция, преобразующая тепло земных недр в электрическую;

• ПЭС – приливная электростанция, преобразующая энергию морских приливов и отливов в электрическую;

• СЭС – солнечная электростанция (гелиоэлектростанция), преобразующая солнечную энергию в электрическую;

• ВЭС – ветроэлектростанция, преобразующая энергию ветра в электрическую.

Принципы работы электростанций традиционной энергетики изложены в Приложении 1.

Основной тип электростанций в России тепловые, работающие на органическом топливе (уголь, газ, мазут, сланцы, торф). Они производят 2/3 всей электроэнергии.

Тепловые электростанции (ТЭС) делятся на паротурбинные (с паровой турбиной в качестве первичного двигателя) и газотурбинные (с газовыми турбинами). В свою очередь паротурбинные подразделяются на конденсационные электростанции (КЭС), служащие для выработки только электроэнергии , и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), на которых вырабатывается как электрическая, так и тепловая энергия. ТЭЦ имеют более высокий КПД (60-70%) по сравнению с КЭС (30-40%), но их главный недостаток – привязка (по территории и режиму) к тепловым потребителям.

Положительные качества тепловых электростанций по сравнению с другими типами: относительно свободное размещение, связанное с широким распространением топливных ресурсов в России; способность вырабатывать электроэнергию без сезонных колебаний (в отличие, например, от ГЭС).

Отрицательные качества: используют не возобновляемые топливные ресурсы, обладают низкой маневренностью (разворот турбин и набор нагрузки из холодного состояния требует 3-10 часов времени); оказывают неблагоприятное воздействие на окружающую среду.

ТЭС нашей страны в отличие от зарубежных до сих пор не оснащены сколько-нибудь эффективными системами очистки уходящих газов от оксидов серы и азота. ТЭС, работающие на природном газе, экологически существенно чище угольных, мазутных и сланцевых, но огромный экологический вред наносит природе прокладка газопроводов, особенно в северных районах.

На размещение тепловых электростанций оказывают основное влияние топливный и потребительский факторы. Наиболее мощные ТЭС расположены, как правило, в местах добычи топлива. Электростанции, работающие на мазуте, располагаются преимущественно в центрах нефтеперерабатывающей промышленности.

Топливный баланс электростанций Европейской части России характеризуется преобладанием газа и мазута, а ТЭС восточных районов будут базироваться в основном на угле открытой добычи (Канско-Ачинского и других месторождений).

Основную роль в электроэнергетике страны играют мощные (более 2 млн. кВт) ГРЭС – государственные районные электростанции, работающие в составе Единой энергосистемы (ЕЭС) России.

Гидроэлектростанции (ГЭС) занимают второе место (после ТЭС) по выработке электроэнергии в России (свыше 15 %). Они преобразуют энергию воды в электрическую энергию, то есть используют возобновляемый энергоресурс. ГЭС просты в управлении, благодаря чему количество персонала на ГЭС в 15-20 раз меньше, чем на ТЭС, имеют высокий КПД - до 85%. В результате производимая на ГЭС энергия самая дешевая, в среднем ее себестоимость в 5-6 раз ниже, чем на ТЭС. Огромное достоинство ГЭС - высокая маневренность, т.е. постоянная готовность к пуску и непродолжительность самого запуска (3-5 минут), что позволяет их эффективно использовать для покрытия пиков суточного графика нагрузки энергосистемы, когда имеющихся в наличии мощностей ТЭС не хватает.

Преимущества ГЭС велики, но, тем не менее, преобладающим является строительство тепловых станций, требующих существенно меньших капиталовложений и времени на их сооружение.

К недостаткам ГЭС следует отнести:

• территориальную привязанность к местности, где есть гидроресурсы и условия для строительства ГЭС;

• связь строительства с затоплением обширных территорий и выводом из пользования огромных сельскохозяйственных площадей, а также с нанесением ущерба рыбному хозяйству, нарушением экологического равновесия;

• реализацию полной мощности ГЭС лишь в многоводный период, т.е. только в течение части года.

Для гидростроительства в нашей стране характерно сооружение на реках каскадов гидроэлектростанций. Каскад - группа ГЭС, расположенных ступенями по течению водного потока для последовательного использования его энергии.

Самые крупные ГЭС России входят в состав Ангаро-Енисейского каскада: Саяно-Шушенская (6,4 млн. кВт), Красноярская (6,0 млн.кВт), Братская (4,6 млн. кВт), Усть-Илимская (4,3 млн. кВт). Сооружается Богучанская ГЭС (4 млн. кВт). Общая мощность каскада в настоящее время 22 млн. кВт.

В Европейской части страны создан крупный каскад ГЭС на Волге. В его состав входят: Иваньковская, Угличская, Рыбинская, Саратовская, Волжская и другие электростанции.

Весьма перспективным является строительство гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС). Их действие основано на цикличном перемещении одного и того же объема воды между двумя бассейнами - верхним и нижним. В ночные часы, когда потребность в электроэнергии мала, эта вода перекачивается из нижнего водохранилища в верхнее, потребляя при этом излишки энергии, производимой электростанциями ночью. Это выгодно, так как остановка тепловых станций в ночное время невозможна. Днем, когда резко возрастает потребление электричества, вода сбрасывается из верхнего бассейна вниз через турбины, вырабатывающие электроэнергию. Таким образом, ГАЭС позволяют решать проблемы пиковых нагрузок в энергосистеме. ГАЭС как источники пиковой мощности независимы от естественных колебаний речного стока. Кроме того, в отличие от ГЭС, их строительство вызывает значительно меньшее затопление земельных площадей под водохранилища.

В настоящее время эксплуатируется Загорская ГАЭС (1,2 млн. кВт), строится Центральная ГАЭС (3,6 млн. кВт).

Атомные электростанции (АЭС) занимают третье место по количеству вырабатываемой в России электроэнергии. На их долю приходится немногим более 1/10 объема получаемой электроэнергии, тогда как в США - 1/5, Германии свыше 1/3, а во Франции - более 3/4. Ранее планировалось, что удельный вес АЭС в производстве электроэнергии у нас в стране достигнет в 90-х годах 20 %, однако Чернобыльская катастрофа вызвала сокращение программы атомного строительства.

На территории Европейской части страны действуют мощные АЭС: Калининская (2 млн. кВт), Смоленская (3 млн. кВт), Нововоронежская (2,5 млн. кВт), Курская (4 млн. кВт), Ленинградская (4 млн. кВт), Белоярская на Урале (860 тыс. кВт) и др.

Новым в атомной энергетике является создание АТЭЦ (атомные теплоэлектроцентрали) и АСТ (атомные станции теплоснабжения). На АТЭЦ, как и на обычной ТЭЦ, производится и электрическая, и тепловая энергия, а на ACT - только тепловая. АТЭЦ в настоящее время действует в поселке Билибино (Чукотка), АСТ в Воронеже, Нижнем Новгороде.

Преимущества АЭС:

• их можно строить в любом районе, независимо от его энергетических ре­сурсов, так как атомное топливо отличается большим содержанием энергии (в 1 кг основного ядерного топлива – урана – содержится энергии столько же, сколько в 2500 т угля);

• при правильной эксплуатации АЭС - наиболее экологически чистые источники энергии. Их выбросы в атмосферу в условиях безаварийной работы значительно меньше, чем у ТЭС, они не поглощают кислород, их функционирование не приводит к возникновению "парникового" эффекта, который является главным образом следствием массового сжигания органического топлива (угля, нефти, газа ) на ТЭС.

К отрицательным качествам АЭС следует отнести:

• трудности в захоронении радиоактивных отходов. Для их вывоза со станции сооружаются контейнеры с мощной защитой и системой охранения. Захоронение производится в земле на больших глубинах и геологически стабильных пластах;

• катастрофические последствия аварий на наших АЭС вследствие несовершенной системы защиты;

• тепловое загрязнение используемых АЭС водоемов.

Дизельные электростанции (ДЭС) работают на жидком топливе (дизельное топливо, соляровое масло, моторное топливо). Основным элементом ДЭС является дизель-генератор, состоящий из дизельного двигателя, электрического синхронного генератора переменного тока, систем охлаждения, смазки и пульта управления.

ДЭС используют в качестве:

• основных источников электроснабжения в наиболее отдаленных рай­онах, где сооружение сетей энергосистем экономически не оправдано на данном этапе;

• резервных или аварийных источников для питания энергий ответственных потребителей, не допускающих перерыва в электроснабжении.

ДЭС подразделяются на стационарные и передвижные. Мощность стационарных ДЭС достигает 4000-5000 кВт, а передвижных от 12 до 1000 кВт.

Преимущества ДЭС следующие:

• компактность, что позволяет размещать их в небольших по габаритам зданиях и помещениях (отсюда низкие капиталовложения на их сооружение);

• малая металлоемкость и низкая потребность в воде;

• постоянная готовность к пуску и непродолжительность самого запуска;

• легкость автоматизации.

Основной недостаток ДЭС – потребность в привозном топливе и необходимость его доставки и хранения.

Традиционные для современной большой энергетики способы получения электрической энергии сопровождаются большими потерями и основаны на расточительном использовании органического топлива (нефти, газа, угля и т.д.). Истощение запасов традиционных энергоресурсов, целесообразность использования органического топлива в качестве сырья для химической промышленности, возрастание теплового и примесного загрязнения окружающей среды диктует необходимость более широкого использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии: энергии Солнца, ветра, приливов, геотермальных и др. Уже построены электростанции на этих нетрадиционных источниках энергии.

Геотермальные электростанции используют тепло земных недр в качестве источника энергии. Известно, что в среднем на каждые 30- 40 метров вглубь земли температура возрастает на 1 °С. Следовательно, на глубине 3-4 км вода закипает, а на глубине 10-15 км температура земли достигает 1000-1200 °С. В некоторых частях планеты температура горячих источников достаточно высока в непосредственной близости от поверхности. Эти районы наиболее благоприятны для сооружения геотермальных станций. Так, в Новой Зеландии на геотермальных станциях вырабаты­вается 40 % всей электроэнергии, в Италии – 6 %. В России первая геотермальная теплоэлектростанция Паужетская ГТЭС (мощностью 11 тыс. кВт ) сооружена на Камчатке.

Приливные электростанции используют энергию напора, который создается между морем и отсеченным от него заливом (бассейном) во время прилива (и в об­ратном направлении при отливе ).

В настоящее время в России действует опытная Кислогубская ПЭС (1,2 тыс. кВт) у Северного побережья Кольского полуострова, разрабатываются проекты ряда ПЭС, бассейны которых предполагаются в районах Белого и Охотского морей.

Гелио- и ветроэлектростанции и установки также относят к нетрадиционной энергетике.

Лет 50 назад на волне увлечения гигантизмом были уничтожены ветряные и водяные мельницы и большинство малых электростанций. В наши дни поворот к использованию энергии ветра, солнца, воды происходит на новом, более высоком уровне развития науки и техники. И только в этом смысле их можно назвать нетрадиционными.

Главная область применения нетрадиционной энергетики  это энергоснабжение небольших производств и предприятий, а также удовлетворение бытовых нужд человека в зонах так называемого автономного энергоснабжения, т.е. в районах, не связанных с энергосистемами.

Нетрадиционная энергетика может быть составной частью "большой" энергетики, как стали заметной частью ветроэлектростанции и "фермы", и геотермальные электростанции в энергосистемах штата Калифорния (США), в Дании, Исландии и др.

Как уже было сказано выше, экономический потенциал возобновляемых энергоресурсов в России составляет примерно 300 млн. тонн условного топлива (т.у.т) в год, т.е. четверть общего годового потребления энергоресурсов страны. Однако в настоящее время в энергобалансе России на долю нетрадиционных источников приходится менее 1 % всей производимой энергии.

Введение в топливно-энергетический комплекс России нетрадиционных возобновляемых природных ресурсов следует рассматривать как один из важнейших путей совершенствования внутренней структуры ТЭК, систем, топливо- и энергоснабжения с целью повышения их качества, экономичности, экологичности, надежности и энергетической безопасности.

По многим причинам традиционные источники энергии будут дорожать, так как:

• существующие (а, в особенности, перспективные) места добычи органического топлива нуждаются все в больших инвестициях, поскольку находятся в отдаленных, труднодоступных районах, не имеющих развитой инфраструктуры;

• создаваемые ядерные реакторы с повышенной безопасностью будут более дорогими, увеличивая стоимость электроэнергии, производимой на атомной электростанции;

• сооружение крупных гидроэлектростанций (ГЭС) требует сегодня дорогостоящих мер по повышению их экологичности;

• более строгими являются требования по охране окружающей среды (требования по восстановлению ландшафтов, допустимые объемы вредных выбросов и т.п.), требующие огромных средств для их реализации.

В связи с этим удорожанием объективно возрастает интерес к использованию нетрадиционных природных ресурсов.

На территории России (в том числе лесных) имеется значительное количество изолированных рассредоточенных потребителей, энергоснабжение которых целесообразно осуществлять только от автономных источников. В современных условиях обеспечение энергией таких потребителей становится все более проблематичным. В качестве источников энергии при этом чаще всего выступают дизельные электростанции, работающие на жидком органическом топливе (дизельном топливе и пр.). Для них главная проблема на сегодняшний день – дальний транспорт жидкого топлива. Низкий уровень транспортной инфраструктуры, многозвенность и сезонность завоза жидкого топлива приводит к его резкому удорожанию. У наиболее отдаленных потребителей транспортная составляющая стоимости привозного топлива достигает 70-80%, а иногда и более того.

Имея в виду перспективу развития энергоснабжения изолированных потребителей было бы неверно ограничиваться лишь применением традиционных дизельных электростанций. Исследования показывают, что в этом случае целесообразным становится применение нетрадиционных возобновляемых природных источников энергии, которые могут быть применены как вместо, так и в сочетании с традиционными источниками энергии. В качестве вариантов энергоисточников при этом могут рассматриваться в первую очередь малые и микроГЭС, гелио- и ветроэнергетические установки, энергоустановки, использующие тепло земли, а также энергоустановки, использующие древесину.

Энергоустановки на основе возобновляемых природных ресурсов нужны не для того, чтобы непременно вытеснить эксплуатируемые дизельные электростанции (ДЭС). Их следует рассматривать, как дополнение к ДЭС, позволяющее обеспечить высокую надежность энергоснабжения при значительной экономии жидкого топлива.

Актуальность развития и использования нетрадиционной энергетики определяется не только сегодняшним днем, а той ролью, которую она будет играть через 10-15 лет. Она должна использоваться там, где:

• низкая плотность населения России (Сибирь, Дальний Восток, Якутия, Бурятия, Алтай, Север), вследствие чего экономически не выгодно сооружение крупных электростанций и мощных линий электропередачи;

• низка надежность местных электросетей (сельские и лесные районы), где средства нетрадиционной энергетики будут играть роль резерва;

• зоны массового отдыха со сложной экологической обстановкой;

• существует проблема создания комфортных условий для индивидуального жилья, мест временной работы и отдыха и садово-огородных домов.