Альтернативні джерела енергії

Техніко-економічні особливості електроенергетики

Одним із найважливіших показників рівня економічного розвитку країни є кількість виробленої електроенергії. Електроенергія – універсальний вид енергії. Електроенергетика – це базова галузь промисловості, яка повинна розвиватися випереджаючими темпами. Вона впливає на розміщення продуктивних сил; має велике районоутворююче значення, притягуючи енергоємні виробництва. Енергетика – «серце» технічного прогресу.

Розміщення електроенергетики залежить від географії паливних та гідроенергетичних ресурсів, від досягнень у передачі електроенергії на великі відстані, від наявності споживача.

До електроенергетики входять процеси: генерування, трансформація, споживання електроенергії.

Електроенергія використовується у 2-х напрямках:

1) як рушійна сила для роботи машин, механізмів, приладів;

2) безпосередньо у технологічних процесах.

За видом енергії всі електростанції поділяють на теплові і гідравлічні. До теплових електростанцій належать, крім ТЕС: АЕС, ГеоТЕС, СЕС,

За принципом взаємодії електростанції бувають:

1) системні – входять до об’єднаних енергетичних систем;

2) ізольовані – працюють самостійно.

Теплова енергетика

ТЕС переважають у світі – виробляють 70 % електроенергії. В Україні – 50%. Близько 1/3 споживання палива у світі витрачається на роботу ТЕС.

Переваги ТЕС:

1) Будівництво ТЕС дешевше і швидше, ніж ГЕС.

2) Паливо досить поширене в земній корі, і майже кожна країна має той чи інший вид паливних ресурсів.

3) ТЕС можна розміщувати по території країни досить рівномірно, орієнтуючи на паливні ресурси чи споживача.

Якщо ТЕС використовує низькокалорійне паливо (малотранспортабельне), то їх будують в районах його видобутку. Якщо висококалорійне паливо, то ТЕС максимально наближають до районів споживання електроенергії. Великий економічний ефект дає робота електростанцій на природному газі.

Розміщення ТЕС залежить також від фактора наявності води (для охолодження пари).

За територіальним охопленням обслуговування споживача ТЕС поділяються:

1) ДРЕС – державна районна електростанція. Це великі ТЕС міжрайонного значення.

2) Центральні – розміщені поблизу центрів енергетичних навантажень.

За енергетичним призначенням ТЕС поділяються на конденсаційні (КЕС) і теплоелектроцентралі (ТЕЦ).

За типом основного двигуна для приводу електрогенератора ТЕС поділяються на паротурбінні і газотурбінні.

Паротурбінні станції використовують тверде, рідке і газоподібне паливо. Головною конструкційною частиною станції є паровий котел. Паливо спалюється в топках котлів. В результаті нагрівання води утворюється пара з температурою 300 – 400⁰, яка під тиском 100 – 200 атм. подається на парову турбіну. Турбіна приводить в рух генератор, де й генерується електроенергія. Відпрацьована пара з пониженим тиском повертається в конденсаційні установки, де перетворюється у гарячу воду. Вода знову повертається в парові котли, де знову перетворюється в пару, і цикл повторюється. Періодично в котел подається свіжа вода.

Газотурбінні станції не мають котлів і складного обладнання, а також конденсаційних установок, внаслідок чого конструкційно простіші. Механізми приводяться в рух продуктами згоряння палива газу або мазуту. Паливо спалюється у спеціальній камері, де температура піднімається до 1500⁰. При виході з камери гази змішуються з холодним повітрям, яке понижає їх температуру до 600 – 800⁰, і направляються на турбіну, приводячи її в рух.

Газотурбінні станції найбільш економічні, оскільки використовують набільш калорійні види палива. Вони мають також екологічну перевагу, оскільки газ повністю згоряє і мало забруднює атмосферу.

ККД ТЕС становить 35 – 42 %. Втрати енергії відбуваються при її переході з одного виду в інший. Витрата палива становить в середньому 4,5 кг ум.п./кВт год.

ТЕЦ – станція з одночасним виробництвом електроенергії і тепла. Пара спочатку приводить в рух вал турбіни, а потім направляється в тепломережу. Максимальна відстань, на якій розміщується ТЕЦ від споживача – 30–35 км. ККД ТЕЦ зростає до 70 %, оскільки крім електроенергії виробляється ще й тепло.

Атомна енергетика

АЕС виробляють близько 10 % електроенергії світу. АЕС мають значну питому вагу у виробництві електроенергії ряду країн світу: Франції (70 %), Бельгії, Литви (60 %), України (45 %).

Основою АЕС є ядерний реактор. Тепло виробляється за рахунок ланцюгової реакції розпаду ядер урану, торію. Реактор оточений спеціальним захистом: вода – товщиною 1 м, бетон – 3 м, чавун – 0,25 м.

При витраті 1 кг урану виділяється тепло, еквівалентне спалюванню 2,5 тис. т кам’яного вугілля. Тому перевагою АЕС є можливість їх будівництва в будь-якому районі через дуже незначну масу ядерного палива, необхідного для їх роботи (100 – 150 т/рік). ККД АЕС становить 32 %.

Тепло, що виділяється внаслідок ядерної реакції, поступає на твели – тепловидільні елементи. Тепло постійно відводять для нагрівання води і утворення пари необхідного тиску. Подальше використання пари – як на звичайних паротурбінних станціях.

АЕС не забруднює атмосферу продуктами горіння, не утворює золи і шлаку. Однак при ядерному розпаді утворюється значна кількість радіоактивних відходів. Частина їх застосовується в господарстві. Однак більшу частину необхідно ізолювати від людини. Відходи поміщають у контейнери, заливають свинцем, закривають кришкою і заварюють. Герметична капсула виготовляється з міді і призначена для майже вічного зберігання радіоактивних відходів. При роботі АЕС радіоактивними стають і деталі. Їх кладуть у траншеї і заливають бетоном.

Відходи після певної обробки можна повторно використовувати в атомній енергетиці, тобто ядерне паливо потребує створення замкнутого паливного циклу. Відпрацьовані твели вивантажуються і зберігаються деякий час під водою на АЕС (до 3-х років), а після цього вивозяться.

Проблемою експлуатації АЕС є можливі аварії. Реактор повинен бути надійно сконструйований і мати декілька блоків захисту. Робота станції не повинна залежати тільки від роботи обслуговуючого персоналу.

Гідроенергетика

Гідравлічні електростанції виробляють до 10 % електроенергії світу. До них належать ГЕС, ГАЕС, ПЕС. Головним типом є ГЕС.

Переваги ГЕС:

1) Працюють на відновлюваних ресурсах – силі падіння води.

2) Більш прості в управлінні і потребують обслуговуючого персоналу в 15 – 20 разів менше, ніж на ТЕС.

3) Більший термін експлуатації.

У зв’язку з цим собівартість 1 кВт. год електроенергії на ГЕС в 6 – 7 разів нижче, ніж на ТЕС.

4) При будівництві ГЕС можна вирішувати різні гідротехнічні завдання.

Недоліки ГЕС:

1) Можливості будівництва ГЕС повністю залежать від природних умов.

2) Будівництво ГЕС дорожче і триває довше.

Широке поширення в багатьох країнах мають каскади – послідовне розміщення кількох ГЕС на протязі однієї річки, що дозволяє використовувати її напір на всій течії. Станції каскаду пов’язані спільністю режиму, при якому водосховища верхніх ступенів мають регулюючий вплив на нижні ступені.

Найзручніше будувати греблі в таких місцях річок, де дно і береги складені твердими кам’яними породами. Сучасна техніка дозволяє споруджувати каскади і на рівнинних річках. Будівництво каскадів розв’язує проблеми енергетики, судноплавства, іригації, водозабезпечення, рибальства. Але при будівництві греблі затоплюються родючі грунти, ліси, житлові території. (Приклад – каскад ГЕС на Дніпрі).

Гребля піднімає рівень води в річці і створює постійну різницю її рівня вище і нижче верхнього і нижнього б’єфа. Внаслідок цього створюється напір води. Підйом води вище греблі зумовлює утворення водосховища. Чим вища гребля і нижче береги річки, тим ширше водосховище.

Для судноплавства або лісосплаву на річці споруджуються шлюзи. Сама будівля ГЕС може розміщуватися або в тілі греблі, або на одному з берегів річки. Всередині встановлюється гідротурбіна на рівні нижнього б’єфа. Вода з верхнього б’єфа з величезною силою падає через турбіну і приводить її в рух, а разом з нею і генератор, який перетворює механічну енергію в електричну.

За висотою напору греблі поділяються на:

1) низьконапірні – до 25 м. Їх будують на рівнинних річках.

2) середньонапірні – 25 – 75 м;

3) високонапірні – вище 75 м.

Для того, щоб зняти коливання і вирівняти графік електричного навантаження, будують гідроакумулятивні електростанції (ГАЕС). Станція виробляє електроенергію в години її найбільшого споживання. Для них не потрібно будувати водосховища, греблі, а отже – затоплювати обширні території. Необхідні умови для будівництва – оптимальний рельєф місцевості: перепад висот верхнього і нижнього басейну 100 м.

Споживаючи вночі надлишкову енергію, яку виробляють електростанції інших типів, ГАЕС перекачує воду за допомогою гідронасосів з нижнього басейну у верхній, роблячи її запас. Вранці вода повертається назад, приводить в рух механізми, де і відбувається процес генерування енергії.

В Україні ГАЕС – Дніпровська (Київ), Канівська, Дністровська.

Дериваційні станції можуть працювати і без гребель. Воду до їх механізмів підводять по спеціальному каналу або трубах (дериваційні труби). Такі станції будують на гірських річках, які мають великий природний напір води. Для більших станцій греблю будують.

Робота припливних електростанцій (ПЕС) при сучасному технічному рівні не залежить від фази припливу. В години відпливу агрегати працюють в насосному режимі, підкачуючи воду з моря вище відмітки повної води. Система гребель і водойм під час припливу накопичує воду і направляє її в гідротурбіни, які обертають гідрогенератор.

В Росії – Кислогубська ПЕС (Кольський п-ів).

Енергія морських хвиль. На турбіну подається вода від працюючих хвильових насосів. Хвильові електростанції є в розвинутих країнах світу.

Альтернативні джерела енергії

Альтернативні джерела енергії стають все більш актуальними у зв’язку з вичерпанням ресурсів мінерального палива і зростаючими потребами світового господарства. До них належать: сонячна, вітрова, геотермальна, термоядерна енергія, штучне паливо.

Переваги альтернативних джерел енергії:

- відсутність хімічного забруднення атмосферного повітря, природних вод, ґрунтів;

- відсутність відходів через те, що об'єкти альтернативної енергетики використовують не речовину, а природну енергію;

- зменшення потреби у використанні невідновлюваних джерел енергії;

- більш природний (тобто менш штучний) спосіб енерговиробнитцтва;

- зменшення потреби у великих ЛЕП і відповідних втрат енергії під час її транспортування через можливість наближення енерговиробництва до споживача;

Недоліки альтернативних джерел енергії:

- велика територіальна і часова нерівномірність функціонування;

- низька питома щільність енергії, через що вимагається будівництво більшої кількості об'єктів або охоплення більшої території, тобто значна землемісткість;

- потреба у розсіяних елементах (германій тощо), видобування яких пов’язане з розвитком гірничодобувної промисловості – досить землемісткої і екологічно брудної;

- істотний фізичний вплив на довкілля (шумове, електромагнітне забруднення тощо).

Сонце – невичерпне джерело екологічно чистої енергії. Розрізняють 2 основні види перетворення сонячної енергії:

1) сонячні колектори, в яких сонячна енергія перетворюється спочатку на теплову, а потім, якщо потрібно – на електричну;

2) фотогальванічні елементи, що перетворюють сонячну енергію безпосередньо на електричну.

Найбільший ефект використання сонячної енергії – в районах з великою сонячною інсоляцією. Принцип дії СЕС: Система веєроподібних дзеркал встановлюється на кругові рейки. В центрі розміщується приймач – фокус установки. Система обертається по рейках. Сонячне тепло, що акумулюється, направляється на механізми, а далі – за принципом ТЕС.

Головні недоліки сонячної енергії:

- мала концентрація на одиницю площі земної поверхні;

- добові та сезонні коливання надходження енергії;

- висока землемісткість СЕС: від 10 до 60 м²/кВт.

- висока матеріаломісткість СЕС. Для енергетики майбутнього необхідно було б переробити 48 млрд. т гірських порід (на всі потреби людства нині видобувається 20 млрд. т/рік).

В Україні – Кримська СЕС.

ВЕСперетворюють енергію вітру в енергію обертання турбіни, яка створює електричний струм. ВЕС складається з вітродвигуна, машинного відділення, генератора електричного струму, опори. Вітродвигуни бувають роторного і пропелерного типу. Сучасні ВЕС мають резервний двигун для роботи в безвітряний період.

На вибір місця спорудження ВЕС впливають: швидкість і напрям вітрів, рельєф місцевості, забудова території.

ВЕС відзначаються значною землемісткістю. Під потужні промислові ВЕС необхідна площа з розрахунку 5 – 15 МВт/км². Тобто для ВЕС потужністю 1000 МВт потрібна ділянка 70 – 200 км². Найбільш важливий фактор впливу ВЕС на навколишнє середовище – шумовий вплив.

В Україні діють ВЕС у Західному Криму, на Азовському узбережжі.

Перспективні райони для будівництва ВЕС: приморські смуги шириною до 6 км; відкриті плато і вершини Карпат і Кримських гір.

ГеоТЕС використовують підземні гарячі джерела, які дають пару.

Штучне паливо – нетрадиційні види рідкого і газоподібного палива:

- нафта з бітумінозних пісків і сланців;

- рідке і газоподібне паливо з вугілля і сланців;

- водень з води – шляхом нагрівання атомів дейтерію до сотень млн. градусів;

- нафта і газ з вугілля;

Вугілля є найбільш перспективною сировиною для отримання рідкого і газоподібного палива.

Поиск по сайту: